Bedre visning gennem fluorescerende nanorør, når du kigger ind i en mus

Udvikling af lægemidler til at bekæmpe eller helbrede sygdomme hos mennesker involverer ofte en fase af test med mus, så det at være i stand til at kigge klart ind i en levende muss indre har reel værdi.

Men med de fluorescerende farvestoffer, der i øjeblikket bruges til at afbilde det indre af laboratoriemus, udsigten bliver så grumset adskillige millimeter under huden, at forskerne måske har større succes med at spå om fremtiden fra gnaverens indvolde, end de gør med at udtrække brugbare data.

Nu har Stanford-forskere udviklet en forbedret billeddannelsesmetode ved hjælp af fluorescerende kulstof-nanorør, der giver dem mulighed for at se centimeter dybt ind i en mus med langt mere klarhed, end konventionelle farvestoffer giver. For et væsen på størrelse med en mus, et par centimeter gør en stor forskel.

"Vi har allerede brugt lignende kulstof nanorør til at levere lægemidler til behandling af kræft i laboratorietest i mus, men du vil gerne vide, hvor din levering blev af, ikke?" sagde Hongjie Dai, en professor i kemi. "Med de fluorescerende nanorør, vi kan lave lægemiddellevering og billeddannelse samtidigt – i realtid – for at evaluere nøjagtigheden af ​​et lægemiddel i at ramme sit mål."

Forskere injicerer de enkeltvæggede kulstofnanorør i en mus og kan se, når rørene bliver leveret til indre organer af blodbanen.

Nanorørene fluorescerer klart som reaktion på lyset fra en laser rettet mod musen, mens et kamera, der er afstemt efter nanorørets nær infrarøde bølgelængder, optager billederne.

Ved at fastgøre nanorørene til en medicin, forskere kan se, hvordan stoffet udvikler sig gennem musens krop.

Dai er en af ​​forfatterne til et papir, der beskriver den forskning, der blev offentliggjort online denne måned i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Nøglen til nanorørets anvendelighed er, at de skinner i en anden del af det nære infrarøde spektrum end de fleste farvestoffer.

Biologiske væv – hvad enten det er mus eller mennesker – fluorescerer naturligt ved bølgelængder under 900 nanometer, som er i samme område som de tilgængelige biokompatible organiske fluorescerende farvestoffer. Det resulterer i uønsket baggrundsfluorescens, som forvirrer billederne, når der bruges farvestoffer. Men de nanorør, der bruges af Dais gruppe, fluorescerer ved bølgelængder mellem 1, 000 og 1, 400 nanometer. Ved disse bølgelængder er der næsten ingen naturlig vævsfluorescens, så baggrunds "støj" er minimal.

Nanorørets anvendelighed øges yderligere, fordi væv spreder mindre lys i det længere bølgelængdeområde af det nær-infrarøde, reducere billedudtværing, når lys bevæger sig eller bevæger sig gennem kroppen, en anden fordel i forhold til fluoroforer, der udsender under 900 nm.

"Nanorørene fluorescerer naturligt, men de udsender i et meget mærkeligt område, " sagde Dai. "Der er ikke mange ting - levende eller inaktive - der udsender i denne region, Derfor er det ikke blevet udforsket særlig meget til biologisk billeddannelse."

Ved at vælge enkeltvæggede kulstof nanorør (SWNTS) med forskellige chiralitetsdiametre og andre egenskaber, Dai og hans team kan finjustere bølgelængden, hvorved nanorørene fluorescerer.

Nanorørene afbildes umiddelbart efter injektion i blodbanen hos mus.

Dai og kandidatstuderende Sarah Sherlock og Kevin Welsher, som også er medforfattere til PNAS papir, observerede de fluorescerende nanorør passerer gennem lungerne og nyrerne inden for sekunder efter injektion. Milten og leveren lyste op et par sekunder senere.

Gruppen lavede også noget "post-produktion" arbejde på digitale videooptagelser af de cirkulerende nanorør for yderligere at forbedre billedkvaliteten ved hjælp af en proces kaldet "principal component analysis."

"I den rå billedbehandling, milten, bugspytkirtel og nyrer kan fremstå som ét generaliseret signal, " sagde Sherlock. "Men denne proces opfanger subtiliteterne i signalvariation og løser det, der i første omgang ser ud til at være ét signal, ind i de forskellige organer."

"Du kan virkelig se ting, der er dybt inde eller blokeret af andre organer, såsom bugspytkirtlen, " sagde Dai.

Der er nogle andre billeddannelsesmetoder, der kan producere dybe vævsbilleder, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og computertomografi (CT) scanninger. Men fluorescensbilleddannelse er meget brugt i forskning og kræver enklere maskineri.

Dai sagde, at de fluorescerende nanorør ikke er i stand til at nå dybden af ​​CT- eller MRI-scanninger, men nanorør er et skridt fremad i at udvide de potentielle anvendelser af fluorescens som et billeddannelsessystem ud over de overflade- og overfladenære applikationer, det har været begrænset til indtil nu.

Siden nanorørsfluorescens blev opdaget for omkring ti år siden, forskere har forsøgt at gøre fluorescensen lysere, sagde Dai. Stadig, han har været lidt overrasket over, hvor godt de nu fungerer i dyr.

"Jeg havde ikke forestillet mig, at de virkelig kunne bruges i dyr til at få dybe billeder som disse, " sagde han. "Når du ser på billeder som dette, man får en fornemmelse af, at kroppen næsten har en vis gennemsigtighed over sig."