Nanopartikler gløder gennem tykt lag væv

(Phys.org) – Et internationalt forskerhold har skabt unikke fotoluminescerende nanopartikler, der skinner klart gennem mere end 3 centimeter af biologisk væv – en dybde, der gør dem til et lovende værktøj til optisk bioimaging i dybt væv.

Selvom optisk billeddannelse er en robust og billig teknik, der almindeligvis anvendes i biomedicinske applikationer, nuværende teknologier mangler evnen til at se dybt ind i væv, sagde forskerne.

Dette skaber et behov for udvikling af nye tilgange, der giver høj opløsning, optisk biobilleddannelse med høj kontrast, som læger og videnskabsmænd kunne bruge til at identificere tumorer eller andre anomalier dybt under huden.

De nyskabte nanopartikler består af en nanokrystallinsk kerne indeholdende thulium, natrium, ytterbium og fluor, alt sammen indkapslet i en firkant, calcium-fluorid skal.

Partiklerne er specielle af flere grunde. Først, de absorberer og udsender nær-infrarødt lys, hvor det udsendte lys har en meget kortere bølgelængde end det absorberede lys. Dette er forskelligt fra hvordan molekyler i biologiske væv absorberer og udsender lys, hvilket betyder, at forskere kan bruge partiklerne til at opnå dybere, billeddannelse med højere kontrast end traditionelle fluorescensbaserede teknikker.

Sekund, materialet til nanopartiklernes skal – calciumfluorid – er et stof, der findes i knogle- og tandmineral. Dette gør partiklerne kompatible med menneskelig biologi, mindske risikoen for bivirkninger. Det viser sig også, at skallen øger fotoluminescenseffektiviteten betydeligt.

At udsende lys, partiklerne anvender en proces kaldet nær-infrarød-til-nær-infrarød opkonvertering, eller "NIR-til-NIR." Gennem denne proces, partiklerne absorberer par af fotoner og kombinerer disse til enkelte, højere energifotoner, der derefter udsendes.

En grund til, at NIR-til-NIR er ideel til optisk billeddannelse, er, at partiklerne absorberer og udsender lys i det nær-infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum, hvilket hjælper med at reducere baggrundsinterferens. Denne region af spektret er kendt som "vinduet for optisk gennemsigtighed" for biologisk væv, da det biologiske væv absorberer og spreder lys mindst i dette område.

Forskerne testede partiklerne i eksperimenter, der omfattede billeddannelse af dem injiceret i mus, og billedbehandling af en kapsel fuld af partiklerne gennem et stykke flæsk, der er mere end 3 centimeter tykt. I hvert tilfælde, forskerne var i stand til at opnå levende, højkontrastbilleder af partiklerne, der skinner gennem væv.

Resultaterne af undersøgelsen blev vist online den 28. august i ACS Nano tidsskrift. Det internationale samarbejde omfattede forskere fra universitetet i Buffalo og andre institutioner i USA, Kina, Sydkorea og Sverige. Det blev ledet af Paras N. Prasad, en SUNY Distinguished Professor og administrerende direktør for UB's Institute for Lasers, Fotonik og biofotonik (ILPB), og Gang Han, en assisterende professor ved University of Massachusetts Medical School.

"Vi forventer, at de hidtil usete egenskaber i de kerne/skal nanokrystaller, vi har designet, vil bygge bro over adskillige afbrydelser mellem in vitro og in vivo undersøgelser, og eventuelt føre til nye opdagelser inden for biologi og medicin, " sagde Han, udtrykker sin begejstring over forskningsresultaterne.

Studie medforfatter Tymish Y. Ohulchanskyy, en vicedirektør for ILPB, mener, at den 3-centimeter optiske billeddybde er hidtil uset for nanopartikler, der giver en så høj kontrastvisualisering.

"Medicinsk billeddannelse er et voksende område, og optisk billeddannelse er en vigtig teknik på dette område, " sagde Ohulchanskyy. "At udvikle denne nye nanoplatform er et reelt skridt fremad for dybere vævsoptisk biobilleddannelse."

Avisens første forfattere var Guanying Chen, forskningsassistent ved ILPB og videnskabsmand ved Kinas Harbin Institute of Technology og Sveriges Royal Institute of Technology og Jie Shen fra University of Massachusetts Medical School. Andre institutioner, der bidrog, omfattede Roswell Park Cancer Institute, University of North Carolina ved Chapel Hill og Korea University i Seoul.

Det næste trin i forskningen er at udforske måder at målrette nanopartiklerne mod kræftceller og andre biologiske mål, der kunne afbildes. Chen, Shen og Ohulchanskyy sagde, at håbet er, at nanopartiklerne bliver en platform for multimodal bioimaging.