Kvanteprikker skinner klart for at hjælpe videnskabsmænd med at se inflammatoriske celler i fedt

For præcist at diagnosticere og behandle sygdomme skal læger og forskere se inde i kroppen. Medicinske billedbehandlingsværktøjer er nået langt siden den ydmyge røntgen, men de fleste eksisterende værktøjer forbliver for grove til at kvantificere antal eller specifikke typer celler inde i dybe væv i kroppen.

Kvanteprikker kan gøre det, ifølge ny forskning i mus fra University of Illinois.

"Kvanteprikker kan måle ting i kroppen, som er meget, meget dynamiske og komplicerede, og som vi ikke kan se i øjeblikket. De giver os muligheden for at tælle celler, registrere deres nøjagtige placeringer og observere ændringer over tid. Jeg tror, ​​det er virkelig et kæmpe fremskridt," siger Andrew Smith, professor i Institut for Bioingeniør ved U of I og medforfatter på ACS Nano studere.

Kvanteprikker er laboratoriedyrkede nanopartikler - kun et par hundrede atomer i størrelse - med særlige optiske egenskaber, der kan påvises ved standardmikroskopi, tomografi (f.eks. PET/CT-scannere) og fluorescensbilleddannelse. Afhængigt af deres størrelse og sammensætning kan bioingeniører som Smith få dem til at lyse i bestemte farver og udsende lys i det infrarøde spektrum.

"At udsende lys i det infrarøde er sjældent. Meget lidt lys udsendes af væv i det infrarøde, så hvis du sætter dem i kroppen, fremstår de meget lyse. Vi kan se dybt ind i kroppen og kan mere præcist måle ting, end vi kunne ved at bruge teknologi i det synlige område," siger Smith.

I ACS Nano undersøgelse, lod Smith og kolleger kvanteprikker løsne på makrofager.

Når vores kroppe har brug for at opsluge patogener eller rydde op i celleaffald, går makrofager på arbejde. En af deres opgaver er at sætte gang i betændelse, hvilket gør miljøet ugæstfrit for skadelige mikrober. Men nogle gange klarer de det arbejde for godt. Afhængigt af det væv, de befinder sig i, kan kronisk inflammation på grund af makrofagaktivitet føre til diabetes, hjerte-kar-problemer, kræftformer og mere.

U of I-teamet var især interesseret i makrofager i fedt eller fedtvæv.

"Med vægtøgning og fedme er antallet af makrofager kendt for at stige i fedtvæv og har en tendens til at skifte i retning af en inflammatorisk fænotype, som bidrager til udviklingen af ​​insulinresistens og metabolisk syndrom. Antallet og placeringen af ​​makrofager i fedtvævet er dårligt beskrevet. især in vivo," siger Kelly Swanson, Kraft Heinz Company-begavet professor i human ernæring ved Institut for Husdyrvidenskab ved U of I og studie medforfatter.

"De kvanteprikker, som vores gruppe udviklede, muliggør bedre kvantificering og karakterisering af cellerne i fedtvæv og deres rumlige fordeling," tilføjer han.

Holdet skabte kvanteprikker belagt med dextran, et sukkermolekyle, der også er rettet mod makrofager i fedtvæv. Som et proof-of-concept injicerede de disse kvanteprikker i fede mus og sammenlignede billeddannelsesresultater med dextran alene, den nuværende standard for billeddannelse af makrofager.

Quantum dots klarede sig bedre end dextran alene på tværs af alle billeddannelsesplatforme, inklusive simple optiske teknikker.

"Kvanteprikker udsender en enorm mængde lys, hvilket giver os mulighed for at måle specifikke celletyper i højere grad og identificere, hvor de er," siger Smith. "Den grad af lysoutput tillader brugen af ​​optiske teknikker, som er meget mere tilgængelige end andre billeddannelsesteknologier. Sammenlignet med MR- og PET-scannere er de billige instrumenter, der kan sættes ind i en lille klinik. Alle kunne have en."

Selvom kvanteprikker endnu ikke er blevet brugt hos mennesker, ser Swanson en fremtid, hvor en simpel optisk teknologi som ultralyd kan bruges til non-invasivt at diagnosticere og spore inflammatoriske makrofager hos overvægtige patienter.

"Der kunne være en enhed som en ultralyd, hvor man scanner nogen, og selvom en patients vægt ikke har ændret sig, kan en læge fortælle, om celletyperne ændrer sig. Flere inflammatoriske celler kunne forudsige insulinresistens og andre problemer," siger han . "Det er derfor, jeg er interesseret i det, for dets diagnostiske egenskaber."

Kvanteprikker bruges ikke hos mennesker, fordi de typisk er lavet af tungmetaller som cadmium og kviksølv, og forskerne har stadig ikke fundet ud af, hvordan de metaboliseres og fjernes fra kroppen. Smith og hans team arbejder på kvanteprikker lavet med sikrere elementer, men indtil da forbliver de et uvurderligt forskningsværktøj. For eksempel kunne deres lange cirkulationstid - ni gange så lang som dextran i den aktuelle undersøgelse - give diagnostikere en måde at gå ud over et øjebliksbillede i tid.

"Der er et enormt niveau af variabilitet af makrofager selv over en dag. Fedtvæv kan have et meget højt antal midt på dagen, og så falder det meget ned," siger Smith. "I dyreforsøg kan vi ofre dyr i starten og slutningen af ​​en dag for at studere tendensen, men med kvanteprikker behøver vi måske ikke at gøre det. Du kan spore et dyr over tid for at se dets progression.

"Kvanteprikker tilbyder en enorm mængde værdi i dyreforsøg. Så selvom kvanteprikker ikke når frem til mennesker, hvis vi aldrig finder en måde at gøre dem ugiftige på, er værdien stadig rigtig stor." + Udforsk yderligere

Luminescerende krystaller i nanostørrelse viser løfte om at kigge dybt ind i kropsvæv