Wetenschappers die een unieke benadering gebruiken, hebben een nieuw contrastmiddel voor biomedische beeldvorming ontwikkeld. Ze zeggen dat de doorbraak een grote uitdaging overwint om dieper in levend weefsel te 'zien'. en opent de weg voor aanzienlijke verbeteringen in de optische beeldtechnologie.

De ontwikkeling, een resultaat van internationale samenwerking tussen Fudan University in China en de University of Technology Sydney (UTS), heeft het potentieel om de resolutie van bio-imaging verder te brengen dan wat momenteel mogelijk is met CT- en PET-beeldvormingstechnologie. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfotonica .

Professor Dayong Jin, een senior auteur van de studie en directeur van het UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), zei:"Dit resultaat is een geweldig voorbeeld dat laat zien hoe we vooruitgang in fotonica en materiaalwetenschappen omzetten in revolutionaire biotechnologieën bij IBMD".

Optische contrastmiddelen worden voornamelijk gebruikt om de visualisatie en differentiatie in weefsel en bloedvaten in zowel klinische als onderzoeksomgevingen te verbeteren.

Om de helderheid van een contrastmiddel te optimaliseren, en om afzonderlijke cellen en biomoleculen efficiënt te verlichten, de uitdaging ligt in het overwinnen van een beperking in de natuurkunde, genaamd "concentratie blussen". Dit wordt veroorzaakt door de kruisrelaxatie van energie tussen emitters wanneer ze te dicht bij elkaar staan, zodat het hebben van te veel emitters leidt tot een uitdoving van de algehele helderheid.

"De nieuwe benadering in dit onderzoek was om het concentratie-uitdovingseffect te ontgrendelen door het pure zeldzame-aarde-element ytterbium te gebruiken dat slechts een enkele aangeslagen toestand heeft om kruisrelaxatie tussen systemen te voorkomen", uitgelegd door professor Jin, "zodat een netwerk van meer dan 5, 000 zuivere ytterbiumstralers kunnen strak worden gecondenseerd binnen een ruimte van 10 nm in diameter, duizend keer kleiner dan een cel".

Bij deze emitterdichtheid worden alle mogelijke atomaire doteringsplaatsen bezet door ytterbium in de kristalroosterstructuur, en eenmaal correct gepassiveerd (niet-reactief gemaakt), door een dunne laag biocompatibel calciumfluoride, het materiaal is vrij van concentratie-quenching.

"Hierdoor kan de efficiëntie van fotonicaconversie de theoretische limiet van 100% benaderen. Dit is niet alleen een benchmark voor een nieuw record in fotonica en materiaalwetenschappen, maar opent ook veel potentiële toepassingen", zei professor Jin.

Hoofdauteur op het papier, Mijnheer Yuyang Gu, een doctoraat student aan Fudan University, zei:"door dit nieuwe contrastmiddel in een muismodel te gebruiken, konden we door hele muizen kijken".

De fundamentele fysica van de fluorescerende sondes die worden gebruikt bij optische beeldvorming, betekent dat er slechts een nauw gedefinieerd nabij-infrarood (NIR) "venster" [optisch transparantvenster] is waarachter zichtbaar licht het weefsel niet kan binnendringen. Het is moeilijk om een ​​contrastmiddel te ontwerpen dat zowel absorbeert als uitzendt in de NIR zonder energie te verliezen.

"Hoewel ytterbium een ​​'pure energie'-niveau heeft dat helpt bij het beschermen van fotonen die in de NIR-band worden geabsorbeerd voordat ze worden uitgezonden, met verwaarloosbaar energieverlies, de eenvoudige aangeslagen toestand laat alleen emissies toe in de zeer vergelijkbare band van NIR, waardoor het onpraktisch is om de conventionele kleurenfilters te gebruiken om de emissies van de sterk verstrooiende omgeving van laserexcitatie te onderscheiden", zei professor Jin.

"Het onderzoek had 'nieuwe fysica' nodig. We moesten echt buiten de gebaande paden denken."

In plaats van de signaalemissies spectraal te "filteren", de onderzoekers gebruikten verder een in de tijd opgeloste techniek die het excitatielicht pauzeerde, en profiteerde van de "fotonopslag"-eigenschap van ytterbiumstralers, het vertragen van de emissie van licht, lang genoeg om een ​​duidelijkere scheiding tussen de excitatie en emissie van licht in het tijdsdomein mogelijk te maken. Professor Jin vergelijkt dit fenomeen met het scenario wanneer, na het uitschakelen van een tv, de langlevende fluorescentie van een "spook"-beeld wordt gezien als een nagloed in de duisternis.

De afgelopen vijf jaar, Professor Jin en zijn team hebben een bibliotheek met Super Dots ontwikkeld, ?-stippen, Hyper Dots en Thermal Dots als multifoton luminescente sondes voor detectie- en beeldtoepassingen.

"Deze uitkomst is weer een kwantumsprong, het brengt ons een nieuwe reeks onderzoekscapaciteiten voor de ontwikkeling van efficiëntere en functionelere sensoren op nanoschaal en biomoleculaire sondes", voegde professor Jin eraan toe.

Fudan University hoofdonderzoeker, Professor Fuyou Li zei:"Dit is een 'nieuw' luminescentieproces met een hoge efficiëntie. We hopen meer geschikte toepassingen te vinden op basis van de fijnafstemming van het vervalproces van dergelijke sondes."

Door het gecombineerde gebruik van een hoge dichtheid van ytterbium-stralers en een tijdsopgeloste benadering was het mogelijk om het aantal stralers te maximaliseren, de lichtconversie-efficiëntie en de algehele helderheid van het contrastmiddel, en daardoor de detectiegevoeligheid aanzienlijk te verbeteren, resolutie en diepte.

Professor Jin zei dat het een ander voorbeeld was van hoe doorbraken in de natuurkunde kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde medische technologieën, daarbij verwijzend naar de evolutie, en revolutie, bij diagnostische methoden zoals röntgenstralen, CT- en PET-beeldvorming.