Små nanopartikler bringer store forbedringer til medicinsk billeddannelse

Hvis du ser de komplekse processer i en levende celle, det er let at gå glip af noget vigtigt – især hvis du ser ændringer, der tager lang tid at udfolde sig og kræver billeddannelse med høj rumlig opløsning. Men ny forskning gør det muligt at granske aktiviteter, der foregår over timer eller endda dage inde i celler, muligvis løse mange af de mysterier, der er forbundet med begivenheder i molekylær skala, der forekommer i disse små levende ting.

Et fælles forskerhold, arbejder på National Institute of Standards and Technology og National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), har opdaget en metode til at bruge nanopartikler til at belyse det cellulære indre for at afsløre disse langsomme processer. Nanopartikler, tusindvis af gange mindre end en celle, har en række applikationer. En type nanopartikel kaldet en kvanteprik lyser, når den udsættes for lys. Disse halvlederpartikler kan belægges med organiske materialer, som er skræddersyet til at blive tiltrukket af specifikke proteiner i den del af en celle, som en forsker ønsker at undersøge.

"Kvanteprikker holder længere end mange organiske farvestoffer og fluorescerende proteiner, som vi tidligere brugte til at belyse cellernes indre, " siger biofysiker Jeeseong Hwang, der ledede holdet på NIST-siden. "De har også fordelen ved at overvåge ændringer i cellulære processer, mens de fleste højopløselige teknikker som elektronmikroskopi kun giver billeder af cellulære processer frosset på et tidspunkt. Ved hjælp af kvantepunkter, vi kan nu belyse cellulære processer, der involverer proteiners dynamiske bevægelser."

Til deres nylige undersøgelse, holdet fokuserede primært på at karakterisere quantum dot-egenskaber, kontrasterer dem med andre billeddannelsesteknikker. I et eksempel de brugte kvanteprikker designet til at målrette mod en bestemt type humant rødt blodlegeme-protein, der udgør en del af en netværksstruktur i cellens indre membran. Når disse proteiner samles i en sund celle, netværket giver mekanisk fleksibilitet til cellen, så den kan presse sig gennem smalle kapillærer og andre trange rum. Men når cellen bliver inficeret med malariaparasitten, strukturen af ​​netværksproteinet ændres.

"Fordi klyngemekanismen ikke er godt forstået, vi besluttede at undersøge det med prikkerne, " siger NIAID biofysiker Fuyuki Tokumasu. "Vi tænkte, om vi kunne udvikle en teknik til at visualisere klynger, vi kunne lære noget om udviklingen af ​​en malariainfektion, som har flere forskellige udviklingsstadier."

Holdets indsats afslørede, at efterhånden som membranproteinerne samler sig, kvanteprikkerne, der er knyttet til dem, induceres til at klynge sig sammen og lyse mere klart, giver videnskabsmænd mulighed for at se, mens klyngningen af ​​proteiner skrider frem. Mere bredt, holdet fandt ud af, at når kvanteprikker binder sig til andre nanomaterialer, prikkernes optiske egenskaber ændrer sig på unikke måder i hvert enkelt tilfælde. De fandt også beviser for, at kvantepunktoptiske egenskaber ændres, efterhånden som miljøet i nanoskala ændres, giver større mulighed for at bruge kvanteprikker til at fornemme det lokale biokemiske miljø inde i celler.

"Nogle bekymringer er fortsat over toksicitet og andre egenskaber, "Hwang siger, "men alt i alt, vores resultater indikerer, at kvanteprikker kan være et værdifuldt værktøj til at undersøge dynamiske cellulære processer."

Mere information: H. Kang, F. Tokumasu, M. Clarke, Z. Zhou, J. Tang, T. Nguyen og J. Hwang. Undersøgelse af dynamiske fluorescensegenskaber af enkelte og klyngede kvanteprikker mod kvantitativ biomedicinsk billeddannelse af celler. WIREs Nanomedicin og Nanobioteknologi . Tidlig visning online på wires.wiley.com/WileyCDA/Wires … .html?pageType=early .

Kilde:National Institute of Standards and Technology (nyheder:web)