Af mus og molekyler:In vivo fotoakustisk billeddannelse ved hjælp af halvledende polymer nanopartikler

(Phys.org) — Fotoakustisk billeddannelse er en hybrid biomedicinsk billeddannelsesmodalitet, baseret på den fotoakustiske effekt, hvor ikke-ioniserende laserimpulser leveres til biologiske væv. (Mere specifikt, i den fotoakustiske effekt dannes lydbølger på grund af trykændringer, når et materiale absorberer varierende intensitet moduleret eller pulseret lys. Disse bølger detekteres derefter af, for eksempel, mikrofoner eller piezoelektriske sensorer. Det resulterende fotoakustiske signal er den strøm eller spænding, der giver den værdi, der angiver, hvordan lydbølgerne varierer i tid.) For nylig, forskere ved Stanford University udviklede en ny klasse af kontrastmidler til fotoakustisk molekylær billeddannelse – nemlig, nær-infrarødt (NIR) lysabsorberende halvledende polymer nanopartikler (SPN'er), der producerer et stærkere signal end enkeltvæggede kulstof nanorør og guld nanorods - egenskaber, der gjorde det muligt for forskerne at udføre helkropslymfeknuder fotoakustisk kortlægning på levende laboratoriemus. Ud over, disse halvledende polymer nanopartikler har høj strukturel fleksibilitet, smalle fotoakustiske spektralprofiler og stærk modstandsdygtighed over for fotonedbrydning og oxidation - egenskaber, der er afgørende for udformningen af ​​den første nær-infrarøde ratiometriske fotoakustiske sonde til in vivo real-time billeddannelse af de reaktive oxygenarter (ROS), der medierer mange sygdomme. Kort sagt, siger forskerne, deres resultater viser, at halvledende polymer-nanopartikler er den perfekte nanoplatform til udvikling af fotoakustiske molekylære prober.

Prof. Jianghong Rao diskuterede papiret, at han, Dr. Kanyi Pu og deres medforfattere udgivet i Natur nanoteknologi . "For det første, der er flere ideelle egenskaber, som en fotoakustisk billedsonde bør have, Rao fortæller Phys.org. "Disse er ingen eller lav toksicitet, høj fotoakustisk effektivitet, fremragende fotostabilitet og kemisk stabilitet, absorption i infrarød eller nær-infrarød bølgelængde for at undgå absorption af vævets baggrundslys og opnå bedre lysgennemtrængning, og – for en molekylær billeddannende probe – evnen til at generere målspecifik fotoakustisk billedkontrast." Rao fortsætter, nuværende fotoakustiske kontrastmidler opfylder generelt ikke alle disse krav, enten har dårlig fotostabilitet, dårlig oxidationsstabilitet, eller toksicitetsbekymringer. Mens fotoakustisk billeddannelse lover betydeligt at fremme fysiologisk og patologisk visualisering på molekylært niveau med dyb vævsgennemtrængning og fin rumlig opløsning, fotoakustiske molekylære billeddannende prober skal først udvikles.

På den anden side, Rao bemærker, at halvledende polymer-nanopartikler tilbyder en række attraktive egenskaber, herunder at være et fotoakustisk billeddannende kontrastmiddel, ingen brug af giftige metaller, være biologisk inert, har høj fotostabilitet, er modstandsdygtige over for oxidation, og evnen til at blive lavet med høj nær-infrarød lysabsorption. "Det vigtigste spørgsmål, " forklarer han, "var, om det var effektivt for halvledende polymer-nanopartikler at producere akustiske signaler efter lysexcitation - og vi var nødt til at undersøge typen af ​​polymer for at bestemme dette. Alt dette sagde, den store udfordring for molekylære fotoakustiske billeddannende prober er, om de kan producere et specifikt signal som reaktion på deres molekylære mål. Dette kræver en signalaktiveringsmekanisme styret af det molekylære mål."

Ved at tackle disse udfordringer, Rao siger, at deres vigtigste indsigt var, at en halvledende polymer kan formuleres til en vandopløselig nanopartikel og, afhængig af dens struktur, de resulterende nanopartikler kan være yderst effektive til fotoakustisk billeddannelse. "Vores nøgleinnovation i at designe halvledende polymer-nanopartikler til en fotoakustisk molekylær billeddannelsessonde var at introducere ratiometrisk billeddannelse, der er meget brugt i fluorescensbilleddannelse, " siger han. Ratiometriske billeddannelsesteknikker observerer emissionsbølgelængdeforskydninger af fluoroforer (fluorescerende kemiske forbindelser, der kan genudsende fotoner ved lysexcitation) eller ved at sammenligne emissionsintensiteten af ​​en fluoroforkombination i stedet for at måle blot intensitetsændringer. "Ved at excitere sonden kl. to forskellige bølgelængder, målaktiveringen fører til ændringen i det fotoakustiske signal ved én bølgelængde, så forholdet mellem signalerne ved to bølgelængder vil ændre sig tilsvarende. Dette gjorde det muligt for os at skabe et målspecifikt fotoakustisk signal."

Rao beskriver nogle af papirets interessante og vigtige resultater, startende med deres grundlæggende demonstration af, at nær-infrarødt lysabsorberende halvledende polymer nanopartikler kan tjene som en effektiv og stabil nanoprform for at tillade fotoner at blive brugt til at generere ultralydsbølger, tillader in vivo fotoakustisk molekylær billeddannelse. "Halvledende polymer-nanopartikler kan absorbere en stor mængde nær-infrarødt lys, " forklarer han. "Den absorberede energi spredes derefter som varme for at generere lydbølger, og disse bølger kan detekteres af ultralydstransduceren og derefter udnyttes til fotoakustisk billeddannelse. At adressere et andet resultat - at aktiverbare molekylære billeddannelsesprober kan gennemgå en iboende signaludvikling ved påvisning af molekylære mål eller hændelser, at give en realtidskorrelation mellem probeaktiverede versus ikke-aktiverede tilstande og patologiske processer på molekylært niveau - Rao påpeger, at i denne undersøgelse, sonden producerer fotoakustiske signaler ved to forskellige bølgelængder (700 nm og 820 nm) før aktivering af ROS (reactive oxygen species) molekylære mål. "Efter aktivering, " tilføjer han, "signalet ved 820 nm er tabt, og signalet ved 700 nm forbliver. Denne signalændring afspejler således tilstedeværelsen og aktiviteten af ​​målet. Billedoptagelsen er hurtig, så detektionen kan være i realtid. Billeddannelsen fanger molekylær forandring af sonden, der afspejler aktiviteten af ​​det molekylære ROS-mål i sygdommen."

Artiklen understreger, at fuld udnyttelse af potentialet ved fotoakustisk billeddannelse ved en dybde og rumlig opløsning, der er uopnåelig ved fluorescensbilleddannelse, kræver nye materialer, der er modtagelige for konstruktionen af ​​aktiverbare fotoakustiske prober. "Aktivérbare prober kan tillade en at detektere fysiologiske og patologiske molekylære hændelser, " Rao forklarer. "Men, de fleste nuværende aktiverbare prober er afhængige af fluorescens, som ikke giver den dybe billeddybde og høje rumlige opløsning, som fotoakustisk billedbehandling gør."

Bevæger sig fremad, Rao siger, forskerne fortsætter med at udforske deres anvendelse til billeddannelse – f.eks. fotoakustisk billeddannelse af cancer ved at fæstne et tumor-målrettet molekyle til nanopartiklerne. "Et andet område vil være at udforske flere polymerer, der absorberer ved forskellige nær-infrarøde bølgelængder, " tilføjer han, "tillader flere målbilleddannelser at blive udført samtidigt. Desuden, mens dette arbejde demonstrerer billeddannelsen af ​​reaktive oxygenarter, andre molekylære mål, såsom pH og enzymarter, kan afbildes på samme måde." Rao påpeger også, at det kan være muligt for den nye tilgang at blive kombineret med medicinafgivelse, effektivt at skabe såkaldte teranostisk nanopartikler til personlige sundhedsapplikationer ved at teste patienter for mulige reaktioner på en ny medicin, og derefter skræddersy en behandling til dem baseret på testresultaterne.

Rao lister en række applikationer, der vil dukke op som et resultat af deres forskning. "Vores forskning vil højst sandsynligt føre til brugen af ​​halvledende nanopartikler til fotoakustisk billeddannelse på prækliniske dyremodeller, såsom billeddannelse af ROS i dybe vævssteder i sygdomme, " siger han. "Det kan også føre til udviklingen af ​​andre halvledende polymer-baserede fotoakustiske billeddannelsesprober, både målrettede prober ved at konjugere en målretningsligand" (et lille molekyle, der danner et kompleks med et biomolekyle for at tjene et biologisk formål) "og aktiverbare prober signalerer aktivering af andre molekylære mål end ROS."

Med hensyn til andre forskningsområder, der kan drage fordel af deres undersøgelse, Rao siger til Phys.org, at det nye nanomateriale skal forbedre evnen til at studere kræft, neurodegenerativ, kardiovaskulær, og mange andre sygdomme i dyremodeller, og hjælpe med at afdække rollen af ​​afvigende RONS (reaktive oxygen- og nitrogenarter) i disse sygdomme og bidrage til udviklingen af ​​nye terapeutiske midler. "Med oversættelsen af ​​fotoakustisk billeddannelse til klinikker, " konkluderer Rao, "det kan også anvendes til klinisk forskning."

© 2014 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.