At tænke ud af boksen:At se klarere og dybere ind i levende organer

Forskere, der bruger en unik tilgang, har udviklet et nyt biomedicinsk billeddannende kontrastmiddel. De siger, at gennembruddet overvinder en stor udfordring med at "se" dybere ind i levende væv, og åbner vejen for væsentlige forbedringer inden for optisk billedteknologi.

Udviklingen, et resultat af internationalt samarbejde mellem Fudan University i Kina og University of Technology Sydney (UTS), har potentialet til at tage bio-imaging opløsning ud over, hvad der i øjeblikket er muligt med CT- og PET-billeddannelsesteknologi. Forskningen er publiceret i Naturfotonik .

Professor Dayong Jin, en seniorforfatter på undersøgelsen og direktør for UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), sagde "dette resultat er et godt eksempel, der viser, hvordan vi transformerer fremskridt inden for fotonik og materialevidenskab til revolutionerende bioteknologier på IBMD".

Optiske kontrastmidler bruges primært til at forbedre visualiseringen og differentieringen i væv og blodkar i både kliniske og forskningsmæssige omgivelser.

For at optimere lysstyrken af ​​et kontrastmiddel, og for effektivt at belyse enkeltceller og biomolekyler, udfordringen ligger i at overvinde en begrænsning i fysik, kaldet "koncentrationsslukning". Dette er forårsaget af krydsrelaksation af energi mellem emittere, når de er for tæt på hinanden, så at have for mange emittere fører til en quenching af den samlede lysstyrke.

"Den nye tilgang i denne forskning var at låse op for koncentrationsslukningseffekten ved at bruge det rene sjældne jordarters grundstof ytterbium, der kun har en enkelt exciteret tilstand for at undgå krydsrelaksation mellem systemer", forklaret af professor Jin, "så et netværk på over 5, 000 rene ytterbium-emittere kan kondenseres tæt inden for et rum på 10 nm i diameter, tusind gange mindre end en celle".

Ved denne emittertæthed er alle mulige atomære dopingsteder optaget af ytterbium i krystalgitterstrukturen, og når den først er blevet ordentligt passiveret (gjort ureaktiv), af et tyndt lag biokompatibelt calciumfluorid, materialet er fri for koncentrationshæmmende.

"Dette gør det muligt for effektiviteten af ​​fotonikkonvertering at nærme sig den teoretiske grænse på 100%. Dette benchmarker ikke kun en ny rekord inden for fotonik og materialevidenskab, men åbner også op for en masse potentielle applikationer", sagde professor Jin.

Hovedforfatter på papiret, hr. Yuyang Gu, en ph.d. studerende ved Fudan University, sagde "ved at bruge dette nye kontrastmiddel i en musemodel kunne vi se hele mus igennem".

Den grundlæggende fysik af de fluorescerende prober, der anvendes til optisk billeddannelse, betyder, at der kun er et snævert defineret nær-infrarødt (NIR) "vindue" [optisk gennemsigtighedsvindue] ud over hvilket synligt lys ikke kan trænge ind i væv. At designe et kontrastmiddel, der både absorberer og udsender i NIR uden at miste energien, er svært.

"Selvom ytterbium har et 'ren energi'-niveau, der hjælper med at beskytte fotoner absorberet i NIR-båndet, før de udsendes, med ubetydeligt tab af energi, den simple exciterede tilstand tillader kun emissioner i det meget lignende bånd af NIR, hvilket gør det upraktisk at bruge de konventionelle farvefiltre til at skelne emissionerne fra det stærkt spredende miljø med laserexcitation", sagde professor Jin.

"Forskningen havde brug for 'ny fysik'. Vi var virkelig nødt til at tænke ud af boksen."

I stedet for at spektralt "filtrere" signalemissionerne, forskerne brugte yderligere en tidsopløst teknik, der stoppede excitationslyset, og udnyttede egenskaben "fotonlagring" ved ytterbium-emittere, bremse emissionen af ​​lys, lang nok til at tillade en klarere adskillelse mellem excitation og emission af lys i tidsdomænet. Professor Jin sammenligner dette fænomen med scenariet, når, efter at have slukket et tv, den langvarige fluorescens af et "spøgelses"-billede ses som en efterglød i mørket.

I de sidste fem år, Professor Jin og hans team har udviklet et bibliotek af Super Dots, ?-Prikker, Hyper Dots og Thermal Dots som multifoton luminescerende prober til sansning og billeddannelse.

"Dette resultat er endnu et kvantespring, giver os et nyt sæt forskningskapaciteter til udvikling af mere effektive og funktionelle nanoskalasensorer og biomolekylære prober," tilføjede professor Jin.

Fudan Universitetets chefefterforsker, Professor Fuyou Li sagde "Dette er en 'ny' selvlysende proces med høj effektivitet. Vi håber at finde mere egnede applikationer baseret på finjusteringen af ​​henfaldsprocessen af ​​sådanne slags sonder."

Den kombinerede brug af høj tæthed af ytterbium-emittere og tidsbestemt tilgang betød, at det var muligt at maksimere antallet af emittere, lyskonverteringseffektiviteten og kontrastmidlets samlede lysstyrke, og derved væsentligt forbedre detektionsfølsomheden, opløsning og dybde.

Professor Jin sagde, at det var endnu et eksempel på, hvordan gennembrud inden for fysik kan føre til udviklingen af ​​nye og forbedrede medicinske teknologier med henvisning til udviklingen, og revolution, i diagnostiske metoder som røntgenstråler, CT- og PET-billeddannelse.