Rice Üniversitesi ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, moleküler ölçekli dinamikleri makroskopik manyetik rezonans görüntüleme (MRI) sinyalleriyle birleştiren fizik tabanlı bir manyetik rezonans gevşemesi modelini ortaya çıkardı ve kontrast maddelerinin su molekülleriyle nasıl etkileşime girdiğine dair yeni bilgiler vaat etti. Bu ilerleme, MRI kullanılarak daha keskin tıbbi görüntüleme ve daha güvenli teşhislerin önünü açıyor.
Çalışma şurada yayınlandı: Kimyasal Fizik Dergisi.
NMR öz modları çerçevesi olarak bilinen bu yeni yaklaşım, önceki modellerin yaklaştığı bir görev olan, su moleküllerinin metal bazlı görüntüleme ajanları etrafında nasıl gevşediğini yorumlamak için kullanılabilecek tüm fiziksel denklemleri çözer. Bu bulgular hem tıpta hem de malzeme biliminde yeni kontrast maddelerinin geliştirilmesini ve uygulanmasını değiştirebilir.
William W. Akers Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Profesörü Walter Chapman, “Sıvılardaki nükleer manyetik rezonans gevşemesinin fiziğini daha iyi modelleyerek, fenomeni sadece tahmin etmekle kalmayıp aynı zamanda açıklayan bir araç elde ediyoruz” dedi. “Yaşamlar ve teknolojiler doğru bilimsel anlayışa bağlı olduğunda bu çok önemlidir.”
Moleküler bir sürecin modellenmesi
MRI taraması sırasında, görüntü netliğini artırmak için sıklıkla kontrast maddeleri kullanılır. Tipik olarak organik bir kabuk içine yerleştirilmiş gadolinyum iyonuna dayanan bu maddeler, yakındaki su moleküllerinin manyetik alanlara tepki verme şeklini değiştiriyor. Gevşeme olarak bilinen bu değişiklik doku görüntülerindeki kontrastı artırır.
Şimdiye kadar, bu süreci açıklayan çoğu bilimsel model, karmaşık moleküler hareketleri gerçek sistemin davranışına sınırlı bir sadakatle ele alarak, tahmin doğruluğunu sınırlayan önemli basitleştirmelere dayanıyordu. Araştırmacılar bunu geliştirmeye çalıştılar.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Hesaplamalı Bilimler Merkezi’nde kıdemli bir hesaplamalı biyomedikal bilim adamı olan Dilipkumar Asthagiri, “Önceki çalışmalarımızda su moleküllerinin bu kontrast maddelerle nasıl etkileşime girdiğini incelemek için ayrıntılı simülasyonlar kullanıldı” dedi.
“Mevcut makalede, önceki moleküler dinamik simülasyonlarını ve deneysel bulguları yorumlamak için kapsamlı bir teori geliştirdik. Ancak teori geneldir ve sıvılardaki NMR gevşemesini geniş anlamda anlamak için kullanılabilir.”
Fizik kökenli bir çerçeve
Daha etkili bir yaklaşım oluşturmak için araştırma ekibi, moleküler konumların ve hızların olasılıklarının nasıl geliştiğini açıklayan ana denklem olan Fokker-Planck denklemine yöneldi. Bu denklemi çözerek moleküler hareket ve gevşemenin tüm spektrumunu yakalayabildiler.
Temel olarak öz modlar çerçevesi, su moleküllerinin kontrast maddelere mikroskobik düzeyde nasıl tepki verdiğinin “doğal modlarını” tanımlar. Bu modlar, gevşeme sürecini yorumlamak için önceki modellerin sunabileceğinden daha ayrıntılı ve doğru bir resim sağlar.
Çalışmanın ilk yazarı, kimya ve biyomoleküler mühendislik alanında Rice doktora mezunu ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın kimya bilimleri bölümünde doktora sonrası araştırmacı olan Thiago Pinheiro, “Bu kavram, bir müzik akorunun birçok notadan oluşmasına benzer” dedi.
“Önceki modeller yalnızca bir veya iki nota yakalarken bizimki tam uyumu yakalıyor.”
Bu çerçeve yalnızca klinik MRI frekanslarındaki deneysel ölçümleri yüksek hassasiyetle yeniden üretmekle kalmıyor, aynı zamanda yaygın olarak kullanılan basitleştirilmiş modellerin daha geniş, daha kapsamlı bir teorinin spesifik örnekleri olduğunu da gösteriyor.
Görüntülemenin ötesinde daha geniş etkiler
Bu araştırmanın sonuçları tıbbi görüntülemenin ötesine uzanıyor. NMR gevşemesi, çeşitli bilimsel ve endüstriyel uygulamalarda sıvıların davranışını incelemek için kullanıldığından, çerçeve, pil tasarımı ve yeraltı sıvı akışı gibi alanlarda da uygulanabilir.
Rice’ta kimya ve biyomoleküler mühendislik alanında yardımcı araştırma profesörü olan Philip Singer, “Bu tür ayrıntılı modelleme, akışkanların gözenekli kayalar veya biyolojik hücreler gibi kapalı alanlarda nasıl davrandığını anlamamıza yardımcı olabilir” dedi.
“Bu, moleküler ölçekteki dinamikleri gözlemlenebilir etkilere bağlayan temel bir araçtır.”
Araştırma ekibi, daha geniş çapta benimsenmeyi ve daha fazla gelişmeyi teşvik etmek için kodunu açık kaynak olarak kullanıma sundu. Araştırmanın ortak yazarları arasında, matematiksel modellemeye önemli katkılarda bulunan Rice Matematik Bölümü’nden Betül Orcan-Ekmekci de yer alıyor.
