Multifunktionel nanopartikel muliggør ny type biologisk billeddannelse

At se en enkelt kræftcelle, der er brudt fri af en tumor og rejser gennem blodbanen for at kolonisere et nyt organ, kan virke som at finde en nål i en høstak. Men en ny billedbehandlingsteknik fra University of Washington er et første skridt mod at gøre dette muligt.

UW-forskere har udviklet en multifunktionel nanopartikel, der eliminerer baggrundsstøjen, muliggør en mere præcis form for medicinsk billeddannelse - i det væsentlige sletning af høstakken, så nålen skinner igennem. En vellykket demonstration med fotoakustisk billeddannelse blev rapporteret i dag (27. juli) i journalen Naturkommunikation .

Nanopartikler er lovende kontrastmidler til ultrafølsom medicinsk billeddannelse. Men i alle teknikker, der ikke bruger radioaktive sporstoffer, de omgivende væv har en tendens til at overvælde svage signaler, forhindrer forskere i at opdage blot én eller få celler.

"Selvom vævene ikke er nær så effektive til at generere et signal som kontrastmidlet, mængden af ​​vævet er meget større end mængden af ​​kontrastmidlet, og derfor er baggrundssignalet meget højt, " sagde hovedforfatter Xiaohu Gao, en UW adjunkt i bioingeniør.

Den nyligt præsenterede nanopartikel løser dette problem ved for første gang at kombinere to egenskaber for at skabe et billede, der er anderledes end det, enhver eksisterende teknik kunne have produceret.

Den nye partikel kombinerer magnetiske egenskaber og fotoakustisk billeddannelse for at slette baggrundsstøjen. Forskere brugte et pulserende magnetfelt til at ryste nanopartiklerne ved deres magnetiske kerner. Derefter tog de et fotoakustisk billede og brugte billedbehandlingsteknikker til at fjerne alt undtagen de vibrerende pixels.

Gao sammenligner den nye teknik med "Tourist Remover" fotoredigeringssoftware, der gør det muligt for en fotograf at slette andre mennesker ved at kombinere flere billeder af den samme scene og kun beholde de dele af billedet, der ikke bevæger sig. "Vi bruger en meget lignende strategi, "Sagde Gao." I stedet for at holde de stationære dele, vi beholder kun den bevægelige del.

"Vi bruger et eksternt magnetfelt til at ryste partiklerne, " forklarede han. "Så er der kun én type partikel, der vil ryste ved frekvensen af ​​vores magnetfelt, som er vores egen partikel."

Eksperimenter med syntetisk væv viste, at teknikken næsten fuldstændigt kan undertrykke et stærkt baggrundsignal. Fremtidigt arbejde vil forsøge at kopiere resultaterne i forsøgsdyr, sagde Gao.

30-nanometerpartiklen består af en jernoxidmagnetisk kerne med en tynd guldskal, der omgiver, men ikke rører midten. Guldskallen bruges til at absorbere infrarødt lys, og kan også bruges til optisk billeddannelse, levere varmeterapi, eller vedhæfte et biomolekyle, der ville gribe fat i specifikke celler.

Tidligere arbejde fra Gaos gruppe kombinerede funktioner i en enkelt nanopartikel, noget der er svært på grund af den lille størrelse.

"I nanopartikler, en plus en er ofte mindre end to, "Gao sagde." Vores tidligere arbejde viste, at et plus et kan være lig med to. Dette papir viser, at et plus et er, endelig, mere end to."

Den første biologiske billeddannelse, i 1950'erne, blev brugt til at identificere anatomi inde i kroppen, påvisning af tumorer eller fostre. Anden generation er blevet brugt til at overvåge funktion - fMRI, eller funktionel magnetisk resonansbilleddannelse, for eksempel, registrerer iltforbrug i hjernen for at producere et billede af hjerneaktivitet. Den næste generation af billeddannelse vil være molekylær billeddannelse, sagde medforfatter Matthew O'Donnell, en UW professor i bioingeniør og ingeniørdekan.

Dette vil betyde, at medicinske assays og celletællinger kan udføres inde i kroppen. Med andre ord, i stedet for at tage en biopsi og inspicere væv under et mikroskop, billeddannelse kunne detektere specifikke proteiner eller unormal aktivitet ved kilden.

Men at få dette til at ske betyder at forbedre tillidsgrænserne for billeddannelsen.

"I dag, vi kan bruge biomarkører til at se, hvor der er en stor samling af syge celler, "O'Donnell sagde." Denne nye teknik kunne få dig ned på et meget præcist niveau, potentielt af en enkelt celle."

Forskere testede metoden til fotoakustisk billeddannelse, der udvikles nu en billig metode, der er følsom over for små variationer i vævs egenskaber og kan trænge igennem flere centimeter i blødt væv. Det virker ved at bruge en puls af laserlys til at opvarme en celle meget lidt. Denne varme får cellen til at vibrere og producere ultralydsbølger, der bevæger sig gennem vævet til kroppens overflade. Den nye teknik bør også gælde for andre former for billeddannelse, sagde forfatterne.