Kvante-assisteret nano-billeddannelse af levende organismer er den første

I videnskaben, mange af de mest interessante begivenheder finder sted i en skala, der er langt mindre, end det blotte menneskelige øje kan se. Medicinske forskere kunne indse en række gennembrud, hvis de kunne se dybt inde i levende biologiske celler, men eksisterende metoder til billeddannelse mangler enten den ønskede følsomhed og opløsning eller kræver tilstande, der fører til celledød, såsom kryogene temperaturer. For nylig, imidlertid, et team af Harvard University-ledede forskere, der arbejder på DARPAs Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) program, demonstrerede billeddannelse af magnetiske strukturer inde i levende celler. Brug af udstyr, der drives ved stuetemperatur og -tryk, holdet var i stand til at vise detaljer ned til 400 nanometer, som er nogenlunde på størrelse med to mæslingevirus. For en følelse af skala, se:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

Harvard QuASAR-teamets teknik er beskrevet i en Natur papir med titlen "Optisk magnetisk billeddannelse af levende celler." I det væsentlige, forskerne brugte ufuldkommenheder i diamant kendt som nitrogen-vacancy (NV) farvecentre til at fungere som højpræcisionsonder for de magnetiske felter produceret af levende magnetotaktiske bakterier - organismer, der indeholder magnetiske nanopartikler. Ved at bruge en række af disse NV-farvecentre konstrueret på specifikke punkter og tæthed i en diamantchip, forskerne var i stand til at lokalisere de magnetiske strukturer i hver bakterie og konstruere billeder af de magnetiske felter, de producerede.

Holdets resultater har flere potentielle anvendelser og kan føre til yderligere undersøgelsesområder:

• I princippet, denne teknik vil muliggøre detaljerede, realtidsobservation af interne cellulære processer, som celledød, evolution og opdeling, og hvordan celler påvirkes af sygdom.
• Forskernes målinger er direkte anvendelige til at studere dannelsen af ​​magnetiske nanopartikler i andre organismer, som er af interesse for kontrastforøgelse ved magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), og har været forbundet med neurodegenerative lidelser.
• Dannelse af magnetiske nanopartikler er blevet foreslået som en mekanisme til magnetisk navigation i højere organismer.

I en beslægtet udvikling, to separate hold af QuASAR-forskere, ledet af universitetet i Stuttgart i Tyskland og IBM's Almaden Research Center, udviklet et magnetometer i nanoskala, der muliggør magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) med tilstrækkelig opløsning til at måle så få som 10, 000 protoner i et volumen på kun 125 kubik nanometer, som nærmer sig niveauet af individuelle proteinmolekyler. Tidligere MR-teknologier, selv når de er strakt til deres grænser, har ikke tilladt opløsning ud over et par mikrometer på grund af forvrængningsfaktorer som magnetisk baggrundsstøj. QuASAR-holdenes nye teknik, kaldet nano-MRI, overvinder denne begrænsning ved at bruge et enkelt NV-farvecenter indlejret tæt på overfladen af ​​en diamantchip til at måle nukleare magnetiske resonanssignaler. Det kan bruges til at måle magnetfeltet på et enkelt punkt på en struktur, eller scan hen over overfladen for at afbilde strukturen ved at måle flere punkter. Arbejdet er beskrevet i to artikler i 1. februar, 2013 udgave af Videnskab :"Nanoskala Nuklear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor" og "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Kernemagnetisk resonansspektroskopi på en (5-nanometer) ³ Sample Volume."

Nano-MRI-teknologien giver den ekstra fordel ved at arbejde ved stuetemperatur, eliminerer behovet for dyrt kryogent udstyr. Omvendt traditionel MR bruger voluminøse maskiner, der ofte kræver kryogen afkøling.

Universitetet i Stuttgart og IBM's arbejde med QuASAR kan potentielt tilbyde en række fremtidige medicinske fordele og muligheder:

• Støtte fremtidig lægemiddeludvikling ved at facilitere øget forståelse af proteiners struktur.
• Aktiver detaljerede, tredimensionel kortlægning af biologiske molekyler, med tilstrækkelig følsomhed til at identificere specifikke elementer. Denne information kan strømline vurderingen af ​​hæmmermedicin mod naturligt forekommende og biomanipulerede vira.
• Aktiver måling af magnetfeltet for affyrende neuroner.

"I QuASAR bygger vi sensorer, der udnytter den ekstreme præcision og kontrol af atomfysik. Vi håber, at disse nye måleværktøjer kan give nye muligheder til de bredere videnskabelige og operationelle samfund, " sagde Jamil Abo-Shaeer, DARPA programleder. "Det arbejde, disse hold gør for at anvende kvante-assisteret måling til biologisk billeddannelse, kan gavne DoD's indsats for at udvikle specialiserede lægemidler og terapier, og potentielt støtte DARPAs arbejde for bedre at forstå, hvordan den menneskelige hjerne fungerer."

Alle tre indsatser blev udført som grundforskning. Fremtidigt arbejde kan omfatte forsøg på at:øge følsomheden af ​​måleanordningerne ved at flytte dem endnu tættere på de organismer, der skal måles; indlejre nano-diamanter med NV-centre i levende celler til in vitro undersøgelser for at måle magnetiske felter og temperatur; og muliggør NV-assisteret magnetfeltbilleddannelse af mærkede biomolekyler.