Fluorescerende farvestof kan muliggøre skarpere biologisk billeddannelse

Fluorescensbilleddannelse bruges i vid udstrækning til visualisering af biologiske væv, såsom bagsiden af ​​øjet, hvor der kan påvises tegn på makuladegeneration. Det bruges også almindeligt til at afbilde blodkar under rekonstruktiv kirurgi, tillader kirurger at sikre, at fartøjerne er korrekt forbundet.

For disse procedurer, såvel som andre nu i kliniske forsøg, såsom billeddannelsestumorer, forskere bruger en del af lysspektret kendt som det nær-infrarøde (NIR)-700 til 900 nanometer, lige ud over hvad det menneskelige øje kan opdage. Et farvestof, der fluorescerer ved denne bølgelængde, administreres til kroppen eller vævet og derefter afbildes ved hjælp af et specialiseret kamera. Forskere har vist, at lys med bølgelængder større end 1, 000 nanometer, kendt som kortbølge-infrarød (SWIR), tilbyder meget klarere billeder end NIR, men der er ingen FDA-godkendte fluorescensfarvestoffer med topemission i SWIR-området.

Et team af forskere ved MIT og Massachusetts General Hospital har nu taget et stort skridt mod at gøre SWIR -billeddannelse bredt tilgængelig. De har vist, at en FDA-godkendt, kommercielt tilgængeligt farvestof, der nu bruges til nær-infrarød billeddannelse, fungerer også meget godt til kortbølget infrarød billeddannelse.

"Det, vi fandt, er, at dette farvestof, som er blevet godkendt siden 1959, er virkelig den bedste, den klareste fluorofor, som vi kender til på dette tidspunkt til billeddannelse i kortbølge-infrarød, "siger Moungi Bawendi, Lester Wolf -professor i kemi ved MIT. "Nu kan klinikere begynde at prøve kortbølge-billeddannelse til deres applikationer, fordi de allerede har en fluorofor, som er godkendt til brug hos mennesker."

Billeddannelse af dette farvestof med et kamera, der registrerer kortbølget infrarødt lys, kunne give læger og forskere mulighed for at få meget bedre billeder af blodkar og andre kropsvæv til diagnose og forskning.

Bawendi og tidligere MIT -forsker Oliver Bruns er seniorforfatterne af undersøgelsen, som vises i Procedurer fra National Academy of Sciences . Papirets hovedforfattere er MIT -kandidatstuderende Jessica Carr og Daniel Franke.

Skære igennem tågen

Farvestoffet, som forskerne brugte i denne undersøgelse, kendt som indocyaningrøn (ICG), fluorescerer stærkest omkring 800 nanometer, som ligger inden for det nær-infrarøde område. Når det injiceres i kroppen, den bevæger sig gennem blodbanen, gør den ideel til angiografi (visualisering af blod, der strømmer gennem kar). Nogle robotassisterede kirurgiske systemer har inkorporeret NIR fluorescensbilleddannelse for at hjælpe med at visualisere blodkar og andre anatomiske træk.

MIT -teamet opdagede ICG's nytteværdi til SWIR -billeddannelse noget serendipitøst. Som en del af et kontroleksperiment for et andet papir, de testede fluorescensoutput af kvanteprikker mod fluorescensoutput fra ICG i kortbølge-infrarød. De forventede, at ICG ikke ville have nogen output, men blev overrasket over at opdage, at det faktisk gav et meget stærkt signal.

Bawendis laboratorium og andre forskere har været interesseret i at udvikle fluoroforer til SWIR -billeddannelse, fordi SWIR giver bedre kontrast og klarhed end NIR. Lys med kortere bølgelængder har en tendens til at sprede sig fra ufuldkommenheder i genstande, som det rammer, men når bølgelængderne bliver længere, spredning reduceres kraftigt.

"I det nær-infrarøde, mange af de funktioner, du ser i væv, kan se tåget ud, og når du bevæger dig ind i kortbølge-infrarød, billedet klarner op, og alt bliver skarpt, "Siger Bruns.

Kortbølge infrarød kan også trænge dybere ind i væv, selvom det er nøjagtigt at beregne, hvor langt en kompliceret proces er, siger forskerne, fordi det afhænger af størrelsen af ​​strukturen, der ses, og mikroskopets synsfelt. I den nye undersøgelse, forskerne var i stand til at se flere hundrede mikrometer ind i væv ved hjælp af et almindeligt fluorescensmikroskop. Normalt, denne dybde kan kun nås med to-fotonmikroskopi, en meget mere kompliceret og dyr billedform.

"Vi fandt ud af, at kortbølget infrarød er særlig nyttig til billeddannelse af små objekter, der er oven på en stor baggrund, så når du vil lave angiografi af små kar, eller kapillærer, det er betydeligt lettere i kortbølge-infrarød end i nær-infrarød, ”Siger Franke.

Et stærkt signal

I deres undersøgelse, forskerne undersøgte yderligere ICG og viste, at det giver et stærkere signal end andre SWIR -farvestoffer nu under udvikling. Tidligere undersøgelser af ICG havde fokuseret på dets emission omkring 800 nanometer, hvor det fluorescerer det klareste, så ingen havde observeret, at farvestoffet også frembragte et stærkt signal ved længere bølgelængder. Selvom det ikke fluorescerer effektivt i kortbølge-infrarødt område, ICG absorberer så meget lys, at hvis selv en lille procentdel udsendes som fluorescerende lys, signalet er lysere end det, der produceres af andre SWIR -farvestoffer.

Forskerne fandt også ud af, at ICG er lyst nok til, at det hurtigt kan producere billeder, hvilket er vigtigt for at fange bevægelse.

"Hvis du ikke har et stærkt nok signal, det bremser, hvor lang tid det tager at tage billedet, så du kan ikke bruge den til billeddannelse såsom blodstrømning eller hjertet slår "Siger Carr.

Forskerne testede også et andet farvestof, der virker i det nær-infrarøde. Dette farvestof, kaldet IRDye 800CW, ligner ICG og kan bindes til antistoffer, der målretter mod proteiner, såsom dem, der findes på tumorer. De fandt ud af, at IRDye 800CW også fluorescerer kraftigt i kortbølge-infrarødt lys, tænkt ikke så lyst som ICG, og viste, at de kunne bruge det til at forestille sig en kræftsvulst i musens hjerner.

For at lave kortbølge-infrarød billeddannelse, forskningslaboratorier og hospitaler skulle skifte fra de siliciumkameraer, der nu bruges til NIR -billeddannelse, til et indium gallium arsenid (InGaAs) kamera. Indtil for nylig, disse kameraer har været uoverkommeligt dyre, men priserne er faldet de sidste mange år.

Forskergruppen undersøger nu yderligere, hvorfor ICG fungerer så godt til kortbølge-infrarød billeddannelse, og forsøger at identificere den optimale bølgelængde til dens anvendelse, som de håber vil hjælpe dem med at bestemme de bedste applikationer til denne form for billeddannelse. De arbejder også med andre laboratorier for at udvikle farvestoffer, der ligner ICG, og som måske fungerer endnu bedre.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.