Små lysemitterende sonder giver forskere en bedre mulighed for ikke-invasiv billeddannelse af levende væv

En polymer, der er specialdesignet til at producere lys, der trænger ind i skumle miljøer, har vist sig lovende i biobilleddannelsesforsøg, hvor den kan detektere partikler i nanostørrelse under overfladen af ​​realistiske vævsmodeller.

Nylige undersøgelser har vist, at fluorescerende prober - lysemitterende materialer, der binder til små mål såsom celler - er særligt nyttige til biobilleddannelse, når de udstråler i det kortbølgede infrarøde (SWIR) område af det optiske spektrum. Fordi denne type fluorescerende lys trænger dybere ind i biologiske objekter uden at blive absorberet eller spredt, SWIR-prober kan ses længere ind i væv end konventionelle emittere. Disse funktioner har gjort det muligt for SWIR-sonder at optage billeder i høj opløsning af strukturer, der ligger dybt inde i kroppen, såsom hjernevæv, uden farer ved røntgenstråler.

Satoshi Habuchi og hans kolleger arbejder på at forbedre fluorescerende billeddannelse ved at udvide den type prober, der er i stand til at producere SWIR-stråling. I øjeblikket, de fleste lysstærke SWIR-emittere er enten halvlederkvanteprikker eller sjældne jordarters dopede nanopartikler, der er uegnede til mange prøver på grund af deres giftige bivirkninger. På den anden side, materialer, der er mere biokompatible, såsom organiske farvestoffer, er normalt ikke intense nok til at blive set inde i væv.

For at løse dette problem, KAUST-forskere henvendte sig til polymerer med "donor-acceptor"-strukturer, et layout, hvor elektronrige komponenter veksler med elektronfattige dele langs en ledende molekylær kæde. "Denne fordeling fremmer ladningsoverførsel langs polymerrygraden, hvilket er en meget effektiv måde at opnå SWIR lys på, " forklarer Hubert Piwoński, undersøgelsens hovedforfatter.

Holdet valgte to donor-acceptor-polymerer med ideelle egenskaber for SWIR-emission og udviklede derefter en udfældningsprocedure, der fusionerede forbindelserne til små polymerkugler, eller "prikker", blot et par nanometer bred. Optiske karakteriseringer afslørede, at disse materialer havde usædvanligt lyse SWIR-emissioner, der let blev opdaget i biologiske vævsmodeller. "Per bind, vores partikler har en lysstyrkeværdi, der er større end næsten alle andre SWIR-emittere, der hidtil er rapporteret, " siger Habuchi. "Dette muliggjorde detektering af polymerprikker i nanometerstørrelse i prøver på en millimeter tykke."

Ud over, de nye polymerprikker, der kun fluorescerer i et nanosekund, kan producere støjsvage billeder med enkeltmolekylefølsomhed på grund af høj gennemløbsdetektion af udsendt fluorescens. Evnen til at visualisere enkelte prober med hurtige optagelseshastigheder kan gavne forskere, der ønsker at fange processer i væv og organer, efterhånden som de sker.

"Der er enorme muligheder for nye prober og billeddannelsesmodaliteter, der er i stand til at adressere dynamikken i molekyler i levende systemer, og vores polymerprikker er et stort skridt mod billeddannelse af væv med en enkelt partikel, " siger Piwoński.