Forbedrede ultralydsegenskaber med billeddannelsesmidler i nanoskala fremstillet af mikrober

Dr. Mikhail Shapiro var interesseret i at udvikle nanoskala billeddannelsesmidler til ultralyd for at muliggøre ikke-invasiv billeddannelse af en meget bredere vifte af biologiske og biomedicinske hændelser i kroppen. Henvendelse til naturen for inspiration, han og hans kolleger ved Caltech og UC Berkeley, med succes oprettet det første ultralydsbilleddannelsesmiddel baseret på genetisk kodede gasholdige strukturer.

Shapiros team udnyttede fotosyntetiske mikroorganismer, der danner gasnanostrukturer kaldet "gasblærer, ", som forskerne opdagede var fremragende billeddannelsesmidler til ultralyd, med flere unikke egenskaber, der gør dem særligt anvendelige i biomedicinske applikationer.

Denne nye nanoteknologiske metode åbner døren til en bred vifte af potentielle billedbehandlingsapplikationer, hvor nanometerstørrelsen er fordelagtig, (f.eks., ved mærkning af mål uden for blodbanen), og kan have en betydelig indvirkning på ultralyd - en af ​​de mest anvendte billeddannelsesmetoder inden for biomedicin.

Tidligere har de fleste ultralydsbilleder var baseret på små gasbobler, som ultralyd kan registrere, fordi de har en anden densitet end deres omgivelser og kan give genlyd med lydbølger. Desværre, disse "mikrobobler" kunne kun syntetiseres i størrelser på flere mikrometer (eller større) på grund af deres grundlæggende fysik:jo mindre du forsøgte at lave dem, jo mindre stabile de blev. Som resultat, de var altid begrænset til blodbanen og kunne kun forestille sig et begrænset antal biologiske mål.

Forskerne ønskede at finde en anden måde at lave gasfyldte strukturer, der kunne være nanoskala. I særdeleshed, visse fotosyntetiske mikroorganismer regulerer deres opdrift ved at danne protein-afskallede gas-nanostrukturer kaldet "gasblærer" inde i cellelegemet. Disse strukturer interagerer med gas på en måde, der er fundamentalt forskellig fra mikrobobler, så de kan have nanometerstørrelse. I dette studie, de opdagede, at gasblærer er fremragende billeddannelsesmidler til ultralyd.

Forskerne viste, at de nemt var i stand til at vedhæfte biomolekyler til gasvesikeloverfladen for at muliggøre målretning. Ud over, fordi disse strukturer er kodet som gener, de har nu en chance for at modificere disse gener for at optimere gasvesiklers ultralydsegenskaber. Holdet har allerede vist, at gasvesikler fra forskellige arter, som varierer i genetisk rækkefølge, udvise forskellige egenskaber, der kan bruges til, for eksempel, skelne dem fra hinanden i et ultralydsbillede.