Lysemitterende nanopartikler kunne give en sikrere måde at billede levende celler på

Et forskerhold har demonstreret, hvordan lysemitterende nanopartikler, udviklet ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan bruges til at se dybt i levende væv.

De specialdesignede nanopartikler kan begejstres af ultralavstrålende laserlys ved nær-infrarøde bølgelængder, der anses for sikre for menneskekroppen. De absorberer dette lys og udsender derefter synligt lys, der kan måles med standard billedudstyr.

Udviklingen og biologisk billeddannelsesanvendelse af disse nanopartikler er detaljeret i en undersøgelse offentliggjort 6. august i Naturkommunikation .

Forskere håber at videreudvikle disse såkaldte legerede opkonverterende nanopartikler, eller aUCNP'er, så de kan vedhæfte specifikke komponenter i celler for at tjene i et avanceret billeddannelsessystem for at oplyse selv enkelte kræftceller, for eksempel. Et sådant system kan i sidste ende guide kirurgi og strålebehandlinger med høj præcision, og hjælper med at slette selv meget små spor af kræft.

"Med en laser, der er endnu svagere end en standard grøn laserpeger, vi kan billede dybt ind i væv, "sagde Bruce Cohen, som er en del af et videnskabsteam på Berkeley Labs Molecular Foundry, der arbejder med UC San Francisco -forskere for at tilpasse nanopartiklerne til medicinsk brug. Molecular Foundry er et DOE Office of Science User Facility med speciale i nanovidenskabelig forskning - det er tilgængeligt for besøgende forskere fra hele landet og verden.

Cohen bemærkede, at nogle eksisterende billeddannelsessystemer bruger laserlys med højere effekt, der risikerer at beskadige celler.

"Udfordringen er:Hvordan forestiller vi os levende systemer med høj følsomhed uden at skade dem? Denne kombination af lavenergilys og lavlaserkræfter er det, alle i feltet har arbejdet hen imod i et stykke tid, "sagde han. Laserkraften, der er nødvendig til aUCNP'erne, er millioner af gange lavere end den effekt, der er nødvendig for konventionelle nær-infrarøde billeddannelsesprober.

I denne seneste undersøgelse, forskere har demonstreret, hvordan aUCNP'erne kan afbildes i levende musevæv i flere millimeters dybde. De var begejstrede for lasere, der var svage nok til ikke at forårsage skade.

Forskere injicerede nanopartikler i musens fedtpuder fra mus og optog billeder af lyset fra partiklerne, som ikke syntes at udgøre nogen toksicitet for cellerne.

Flere test vil være påkrævet for at vide, om aUCNP'erne produceret på Berkeley Lab sikkert kan injiceres i mennesker, og for at teste belægninger, er Berkeley Labs forskere i færd med at specifikt binde til kræftceller.

Dr. Mekhail Anwar, en strålingsonkolog og en assisterende professor ved UC San Francisco, der deltog i den seneste undersøgelse, bemærkede, at der er mange medicinske scanningsteknikker til at lokalisere kræft-fra mammogrammer til MR- og PET-CT-scanninger-men disse teknikker kan mangle præcise detaljer på meget små skalaer.

"Vi har virkelig brug for at vide præcis, hvor hver kræftcelle er, sagde Anwar, en støberi -bruger, der samarbejder med forskere inden for molekylær støberi i sin forskning. "Normalt siger vi, at du er heldig, når vi fanger det tidligt, og kræften kun er omkring en centimeter - det er cirka 1 milliard celler. Men hvor gemmer de mindre grupper af celler sig?"

Fremtidigt arbejde på Molecular Foundry vil forhåbentlig føre til forbedrede teknikker til billeddannelse af kræft ved hjælp af aUCNP'erne, han sagde, og forskere udvikler en billeddannelsessensor, der kan integreres med nanopartikler, der kan fastgøres til kirurgisk udstyr og endda kirurgiske handsker for at identificere kræftpunkter under kirurgiske procedurer.

Et gennembrud i laboratoriets udvikling af UCNP'er var at finde måder at øge deres effektivitet ved udsendelse af det absorberede lys ved højere energier, sagde Emory Chan, en personaleforsker ved Molecular Foundry, der også deltog i den seneste undersøgelse.

I årtier, forskersamfundet havde troet, at den bedste måde at producere disse såkaldte opadvendte materialer på var at implantere dem eller "dope" dem med en lav koncentration af metaller kendt som lanthanider. For mange af disse metaller, forskere havde troet, ville få det lys, de udsender, til at blive mindre lyst med flere af disse tilføjede metaller.

Men eksperimenter ledet af Molecular Foundry-forskere Bining "Bella" Tian og Angel Fernandez-Bravo, der lavede lanthanidrige UCNP'er og målte deres egenskaber, forstærket denne fremherskende forståelse.

Undersøgelser af individuelle UCNP'er viste sig især værdifulde for at vise, at erbium, et lanthanid, der tidligere menes kun at spille en rolle i lysemission, kan også direkte absorbere lys og frigøre et andet lanthanid, ytterbium, at absorbere mere lys. Emory Chan, en personaleforsker ved Molecular Foundry, der også deltog i den seneste undersøgelse, beskrev erbiums nyopdagede multitasking -rolle i UCNP'erne som en "tredobbelt trussel".

De UCNP'er, der blev brugt i den seneste undersøgelse, måler cirka 12-15 nanometer (milliarder af en meter) på tværs-små nok til at de kan trænge ind i væv. "Deres skaller vokser som et løg, et lag ad gangen, "Sagde Chan.

Jim Schuck, en studiedeltager og tidligere Berkeley Lab -videnskabsmand nu ved Columbia University, bemærkede, at den seneste undersøgelse bygger på en tiår lang indsats på Molecular Foundry for at forstå, redesign, og finde nye applikationer til UCNP'er.

"Dette nye paradigme inden for UCNP -design, hvilket fører til meget lysere partikler, er en rigtig game-changer til alle single-UCNP-billeddannelsesprogrammer, " han sagde.

Forskere ved Molecular Foundry vil arbejde på måder at automatisere fremstilling af nanopartikler med robotter, og at belægge dem med markører, der selektivt binder til kræftceller.

Cohen sagde, at samarbejdet med UCSF har åbnet nye muligheder for efterforskning for UCNP'er, og han forventer, at forskningsindsatsen vil vokse.

"Vi ville aldrig have tænkt på at bruge disse til billeddannelse under operationer, "sagde han." Arbejde med forskere som Mekhail åbner op for denne vidunderlige krydsbestøvning af forskellige felter og forskellige ideer. "

Anwar sagde, "Vi er virkelig taknemmelige for at have adgang til viden og bred vifte af instrumentering" på Labs Molecular Foundry.