Новый сверхчувствительный метод визуализации с использованием наночастиц

Результаты нового исследования демонстрируют, что экспериментальный сверхчувствительный метод медицинской визуализации, использующий импульсный лазер и мельчайшие металлические наноклетки (nanocages), может сделать возможной как раннюю диагностику, так и лечение рака.

Система работает методом просвечивания кожи лазерными импульсами ближней ИК-области, обнаруживая при этом полые наноклетки и твердые наночастицы из сплава золота и серебра, введенные в кровь.

В отличие от более ранних подходов, использующих мельчайшие металлические наностержни и наносферы, новый метод не вызывает теплового повреждения тканей, возникающего в процессе визуализации. «Еще одним преимуществом является то, что при нем не образуется фонового автофлуоресцентного свечения окружающих тканей, которое негативно сказывается на изображении и уменьшает контрастность и яркость», - говорит адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии и химии Университета Пердью (Purdue University) Джи-Шин Чень (Ji-Xin Cheng).

«Отсутствие фоновой флуоресценции делает изображения гораздо более отчетливым, а это очень важно для диагностики заболевания», - говорит он. «Это позволяет нам четко различать наноклетки и ткани».

Усовершенствованный метод делает возможным более раннее обнаружение и лечение рака. Мельчайшие наноклетки из сплава золота и серебра могут быть использованы и для доставки в пораженные ткани выделяемых в нужное время противораковых препаратов, считает Юнан Ся (Younan Xia), профессор факультета биомедицинской инженерии (Department of Biomedical Engineering) Вашингтонского университета (Washington University) в Сент-Луисе. Его группа разработала наноклетки и наночастицы, используемые в данном исследовании.

Структуры из золота и серебра дают изображения в 10 раз более яркие, чем экспериментальные методы, использующие наносферы и наностержни. Метод обеспечивает в сотни раз более высокие яркость и контрастность, чем при применении обычных флуоресцентных красителей, используемых для широкого круга биологических исследований, требующих визуализации внутриклеточных событий и молекул.

Результаты работы детально описаны в статье, опубликованной в международном издании журнала Angewandte Chemie.

Новый подход использует явление, известное как «трехфотонная люминесценция», которое обеспечивает более контрастные и яркие изображения, чем обычные методы флуоресцентной визуализации. Но, как правило, трехфотонная люминесценция остается слишком тусклой, чтобы использоваться для работы с изображениями. Однако присутствие золотых и серебряных наночастиц усиливает яркость, преодолевая это препятствие. Считается, что сверхбыстрый лазер также играет определенную роль, вызывая генерацию третьей гармоники, увеличивающей яркость.

В предыдущих исследованиях по разработке систем визуализации использовались плазмоны, или облака движущихся в унисон электронов, увеличивающих яркость и контрактность. Однако использование плазмонов приводит к повреждающему ткани нагреванию. Новый метод не использует плазмонное усиление, что позволяет избежать подобного нагревания, утверждает Чень.

Трехфотонный эффект может позволить ученым разработать усовершенствованные нелинейные оптические методы, обеспечивающие больший контраст, чем обычные технологии.

«Возможности, предоставляемые нам трехфотонной визуализацией, позволят объединить визуализацию и терапию, улучшая диагностику и мониторинг», - говорит Ся.

Ученые использовали лазер ближней ИК-области спектра, с интервалов пульсации в несколько фемтосекунд, или несколько квадрильонных долей секунды. Для освещения тканей и органов после введения в них наноклеток лазер генерирует 80 миллионов импульсов в секунду.

Наноклетки и наночастицы имеют размер около 40 нанометров, что примерно в 100 раз меньше размера эритроцита.

При разработке метода ученые внутривенно вводили наноклетки мышам и затем получали изображения мельчайших структур в тканевых образцах из печени и селезенки.

Источник: Нанотехнологии в медицине и биологии