Kvanteprikker, der udsender infrarødt lys, åbner nyt vindue til biologisk billeddannelse

For visse frekvenser af kortbølget infrarødt lys, de fleste biologiske væv er næsten lige så gennemsigtige som glas. Nu, forskere har lavet små partikler, der kan sprøjtes ind i kroppen, hvor de udsender disse gennemtrængende frekvenser. Fremskridtet kan give en ny måde at lave detaljerede billeder af indre kropsstrukturer, såsom fine netværk af blodkar.

De nye resultater, baseret på brugen af ​​lysemitterende partikler kaldet kvantepunkter, er beskrevet i et papir i journalen Natur biomedicinsk teknik , af MIT-forsker Oliver Bruns, nyuddannet Thomas Bischof PhD '15, professor i kemi Moungi Bawendi, og 21 andre.

Nær-infrarød billeddannelse til forskning i biologiske væv, med bølgelængder mellem 700 og 900 nanometer (milliarddele af en meter), er meget brugt, men bølgelængder på omkring 1, 000 til 2, 000 nanometer har potentialet til at give endnu bedre resultater, fordi kropsvæv er mere gennemsigtige for det lys. "Vi vidste, at denne billedbehandlingstilstand ville være bedre" end eksisterende metoder, Bruns forklarer, "men vi manglede emittere af høj kvalitet" - dvs. lysemitterende materialer, der kunne producere disse præcise bølgelængder.

Lysemitterende partikler har været en specialitet for Bawendi, Lester Wolf professor i kemi, hvis laboratorium gennem årene har udviklet nye måder at lave kvanteprikker på. Disse nanokrystaller, lavet af halvledermaterialer, udsender lys, hvis frekvens kan indstilles præcist ved at kontrollere den nøjagtige størrelse og sammensætning af partiklerne.

Nøglen var at udvikle versioner af disse kvanteprikker, hvis emissioner matchede de ønskede kortbølgede infrarøde frekvenser og var lyse nok til derefter let at blive opdaget gennem den omgivende hud og muskelvæv. Holdet lykkedes med at lave partikler, der er "størrelsesordener bedre end tidligere materialer, og som tillader hidtil usete detaljer i biologisk billeddannelse, "Bruns siger. Syntesen af ​​disse nye partikler blev oprindeligt beskrevet i et papir af kandidatstuderende Daniel Franke og andre fra Bawendi -gruppen i Naturkommunikation sidste år.

Kvanteprikkerne, som holdet producerede, er så lyse, at deres emissioner kan fanges med meget korte eksponeringstider, han siger. Dette gør det muligt at producere ikke kun enkeltbilleder, men video, der fanger detaljer om bevægelse, såsom blodstrømmen, gør det muligt at skelne mellem vener og arterier.

De nye lysemitterende partikler er også de første, der er lyse nok til at tillade billeddannelse af indre organer i mus, der er vågne og bevæger sig, i modsætning til tidligere metoder, der krævede, at de blev bedøvet, siger Bruns. Indledende ansøgninger vil være til præklinisk forskning i dyr, da forbindelserne indeholder nogle materialer, der næppe vil blive godkendt til brug på mennesker. Forskerne arbejder også på at udvikle versioner, der ville være sikrere for mennesker.

Metoden er også afhængig af brugen af ​​et nyudviklet kamera, der er meget følsomt over for denne særlige række af kortbølget infrarødt lys. Kameraet er et kommercielt udviklet produkt, Bruns siger, men hans team var den første kunde til kameraets specialiserede detektor, lavet af indium-gallium-arsenid. Selvom dette kamera blev udviklet til forskningsformål, disse frekvenser af infrarødt lys bruges også som en måde at se gennem tåge eller røg.

Ikke alene kan den nye metode bestemme retningen af ​​blodgennemstrømningen, Bruns siger, den er detaljeret nok til at spore individuelle blodceller inden for denne strøm. "Vi kan spore flowet i hver eneste kapillær, i super høj hastighed, "siger han." Vi kan få et kvantitativt mål for flow, og vi kan udføre sådanne flowmålinger i meget høj opløsning, over store områder."

Sådan billeddannelse kunne potentielt bruges, for eksempel, at studere, hvordan blodgennemstrømningsmønsteret i en tumor ændrer sig, efterhånden som tumoren udvikler sig, som kan føre til nye måder at overvåge sygdomsprogression eller reaktion på en lægemiddelbehandling. "Dette kunne give en god indikation af, hvordan behandlinger fungerer, som ikke var muligt før, " han siger.