Fluorescentiebeeldvorming wordt veel gebruikt voor het visualiseren van biologische weefsels zoals de achterkant van het oog, waar tekenen van maculaire degeneratie kunnen worden gedetecteerd. Het wordt ook vaak gebruikt om bloedvaten in beeld te brengen tijdens reconstructieve chirurgie, zodat chirurgen ervoor kunnen zorgen dat de bloedvaten goed zijn aangesloten.

Voor deze procedures evenals anderen nu in klinische proeven, zoals beeldvorming van tumoren, onderzoekers gebruiken een deel van het lichtspectrum dat bekend staat als het nabij-infrarood (NIR) - 700 tot 900 nanometer, net verder dan wat het menselijk oog kan waarnemen. Een kleurstof die bij deze golflengte fluoresceert, wordt aan het lichaam of weefsel toegediend en vervolgens met een gespecialiseerde camera in beeld gebracht. Onderzoekers hebben aangetoond dat licht met een golflengte groter dan 1 000 nanometer, bekend als kortegolf-infrarood (SWIR), biedt veel duidelijkere beelden dan NIR, maar er zijn geen door de FDA goedgekeurde fluorescentiekleurstoffen met piekemissie in het SWIR-bereik.

Een team van onderzoekers van het MIT en het Massachusetts General Hospital heeft nu een grote stap gezet om SWIR-beeldvorming algemeen beschikbaar te maken. Ze hebben aangetoond dat een door de FDA goedgekeurd, in de handel verkrijgbare kleurstof die nu wordt gebruikt voor nabij-infraroodbeeldvorming, werkt ook heel goed voor kortegolf-infraroodbeeldvorming.

"Wat we hebben gevonden is dat deze kleurstof, die sinds 1959 is goedgekeurd, is echt de beste, de helderste fluorofoor die we op dit moment kennen voor beeldvorming in het kortegolf-infrarood, " zegt Moungi Bawendi, de Lester Wolf hoogleraar scheikunde aan het MIT. "Nu kunnen clinici beginnen met het proberen van kortegolfbeeldvorming voor hun toepassingen, omdat ze al een fluorofoor hebben die is goedgekeurd voor gebruik bij mensen."

Door deze kleurstof in beeld te brengen met een camera die kortegolf-infraroodlicht detecteert, kunnen artsen en onderzoekers veel betere beelden krijgen van bloedvaten en andere lichaamsweefsels voor diagnose en onderzoek.

Bawendi en voormalig MIT-onderzoeker Oliver Bruns zijn de senior auteurs van de studie, die verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences . De hoofdauteurs van het artikel zijn MIT-afgestudeerde studenten Jessica Carr en Daniel Franke.

Snijden door de mist

De kleurstof die de onderzoekers in dit onderzoek gebruikten, bekend als indocyanine groen (ICG), fluoresceert het sterkst rond 800 nanometer, die binnen het nabij-infraroodbereik valt. Wanneer het in het lichaam wordt geïnjecteerd, het reist door de bloedbaan, waardoor het ideaal is voor angiografie (de visualisatie van bloed dat door bloedvaten stroomt). Sommige robotgeassisteerde chirurgische systemen hebben NIR-fluorescentiebeeldvorming ingebouwd om bloedvaten en andere anatomische kenmerken te visualiseren.

Het MIT-team ontdekte het nut van ICG voor SWIR-beeldvorming enigszins toevallig. Als onderdeel van een controle-experiment voor een ander artikel, ze testten de fluorescentie-output van quantum dots tegen de fluorescentie-output van ICG in het kortegolf-infrarood. Ze verwachtten dat ICG geen output zou hebben, maar waren verrast om te ontdekken dat het eigenlijk een heel sterk signaal produceerde.

Bawendi's lab en andere onderzoekers zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van fluoroforen voor SWIR-beeldvorming omdat SWIR een beter contrast en helderheid biedt dan NIR. Licht met kortere golflengten heeft de neiging om te verstrooien van onvolkomenheden in objecten die het raakt, maar naarmate de golflengten langer worden, verstrooiing wordt sterk verminderd.

"In het nabij-infrarood, veel van de kenmerken die u in weefsel ziet, kunnen er mistig uitzien, en als je eenmaal in het kortegolf-infrarood bent beland, het beeld wordt helderder en alles wordt scherp, ' zegt Bruns.

Kortegolf-infrarood kan ook dieper in weefsel doordringen, hoewel precies berekenen hoe ver een ingewikkeld proces is, zeggen de onderzoekers, omdat het afhangt van de grootte van de structuur die wordt bekeken en het gezichtsveld van de microscoop. In de nieuwe studie de onderzoekers konden met een gewone fluorescentiemicroscoop enkele honderden micrometers in weefsel zien. Normaal gesproken, deze diepte kan alleen worden bereikt met twee-fotonenmicroscopie, een veel gecompliceerder en duurder type beeldvorming.

"We ontdekten dat kortegolf-infrarood vooral nuttig is voor het in beeld brengen van kleine objecten die zich op een grote achtergrond bevinden, dus als u angiografie van kleine bloedvaten wilt doen, of haarvaten, dat is aanzienlijk gemakkelijker in het kortegolf-infrarood dan in het nabij-infrarood, ' zegt Frank.

Een sterk signaal

In hun studie hebben de onderzoekers onderzochten ICG verder en toonden aan dat het een sterker signaal geeft dan andere SWIR-kleurstoffen die nu in ontwikkeling zijn. Eerdere studies van ICG waren gericht op de emissie rond 800 nanometer, waar het het helderst fluoresceert, dus niemand had opgemerkt dat de kleurstof ook bij langere golflengten een sterk signaal produceerde. Hoewel het niet efficiënt fluoresceert in het kortegolf-infraroodbereik, ICG absorbeert zoveel licht dat als zelfs maar een klein percentage wordt uitgestraald als fluorescerend licht, het signaal is helderder dan dat van andere SWIR-kleurstoffen.

De onderzoekers ontdekten ook dat ICG helder genoeg is om snel beelden te produceren, wat belangrijk is voor het vastleggen van beweging.

"Als je geen sterk genoeg signaal hebt, het vertraagt ​​hoe lang het duurt om het beeld te maken, dus je kunt het niet gebruiken voor beeldvorming van bewegingen zoals bloedstroom of het kloppen van het hart, ' zegt Carr.

De onderzoekers testten ook een andere kleurstof die in het nabij-infrarood werkt. Deze kleurstof, genaamd IRDye 800CW, is vergelijkbaar met ICG en kan worden gehecht aan antilichamen die zich richten op eiwitten zoals die op tumoren worden gevonden. Ze ontdekten dat IRDye 800CW ook helder fluoresceert in het kortegolf-infraroodlicht, dacht niet zo helder als ICG, en toonden aan dat ze het konden gebruiken om een ​​kankergezwel in de hersenen van muizen af ​​te beelden.

Om kortegolf-infraroodbeelden te maken, onderzoekslaboratoria en ziekenhuizen zouden moeten overschakelen van de siliciumcamera's die nu worden gebruikt voor NIR-beeldvorming naar een indium galliumarsenide (InGaAs) camera. Tot voor kort, deze camera's waren onbetaalbaar, maar de prijzen zijn de afgelopen jaren gedaald.

Het onderzoeksteam onderzoekt nu verder waarom ICG zo goed werkt voor kortegolf-infraroodbeeldvorming, en probeert de optimale golflengte voor het gebruik ervan te identificeren, waarvan ze hopen dat het hen zal helpen bij het bepalen van de beste toepassingen voor dit soort beeldvorming. Ze werken ook samen met andere laboratoria om kleurstoffen te ontwikkelen die vergelijkbaar zijn met ICG en mogelijk nog beter werken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.