Nieuwe onderzoeksresultaten suggereren dat een experimentele ultragevoelige medische beeldvormingstechniek die een gepulseerde laser en kleine metalen "nanocages" gebruikt, zowel de vroege detectie als de behandeling van ziekten mogelijk maakt.

Het systeem werkt door nabij-infrarode laserpulsen door de huid te laten schijnen om holle nanokooien en vaste nanodeeltjes - gemaakt van een legering van goud en zilver - te detecteren die in de bloedbaan worden geïnjecteerd.

In tegenstelling tot eerdere benaderingen met behulp van kleine metalen nanostaafjes en nanobolletjes, de nieuwe techniek veroorzaakt geen warmteschade aan het weefsel dat wordt afgebeeld. Een ander voordeel is dat het geen "autofluorescerende" achtergrondgloed van omringende weefsels produceert, die de beeldvorming verstoort en contrast en helderheid vermindert, zei Ji-Xin Cheng (uitgesproken als Gee-Shin), een universitair hoofddocent biomedische technologie en chemie aan de Purdue University.

"Dit gebrek aan achtergrondfluorescentie maakt de beelden veel duidelijker en is erg belangrijk voor ziektedetectie, " zei hij. "Het stelt ons in staat om de nanokooien en de weefsels duidelijk te identificeren."

De verbeterde prestaties kunnen vroege opsporing en behandeling van kanker mogelijk maken. De kleine goud-zilveren kooien kunnen ook worden gebruikt om antikankermedicijnen af ​​​​te leveren aan ziek weefsel, zei Younan Xia, de James M. McKelvey Professor voor geavanceerde materialen in de afdeling Biomedical Engineering aan de Washington University in St. Louis. Zijn team fabriceerde de nanokooien en nanodeeltjes die in het onderzoek werden gebruikt.

De goud-zilverstructuren leverden beelden op die 10 keer helderder waren dan ander experimenteel beeldvormingsonderzoek met gouden nanobolletjes en nanostaafjes. De beeldvormingstechnologie biedt helderheid en contrast die mogelijk honderden keren beter zijn dan conventionele fluorescerende kleurstoffen die worden gebruikt voor een breed scala aan biologische beeldvorming om de interne werking van cellen en moleculen te bestuderen.

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat op 6 april online in het tijdschrift werd gepubliceerd Angewandte Chemie internationale editie. Het artikel is geschreven door Purdue chemie-promovendus Ling Tong, Afgestudeerde student van de Washington University, Claire M. Cobley en onderzoeksassistent-professor Jingyi Chen, Xia en Cheng.

De nieuwe beeldvormingsbenadering maakt gebruik van een fenomeen genaamd "drie-foton luminescentie, " die een hoger contrast en helderdere beelden oplevert dan conventionele fluorescentiebeeldvormingsmethoden. Normaal gesproken drie-foton luminescentie is te zwak om te worden gebruikt voor beeldvorming. Echter, de aanwezigheid van gouden en zilveren nanodeeltjes verbetert de helderheid, het overwinnen van dit obstakel. Er wordt ook gedacht dat de ultrasnelle laser mogelijk een rol speelt door het veroorzaken van "derde harmonische generatie, " wat de helderheid verhoogt.

Eerder onderzoek om het beeldvormingssysteem te ontwikkelen, vereiste het gebruik van "plasmonen, " of wolken van elektronen die tegelijk bewegen, om de helderheid en het contrast te verbeteren. Echter, het gebruik van plasmonen genereert weefselschadelijke warmte. De nieuwe techniek maakt geen gebruik van plasmonverbetering, het elimineren van deze verwarming, zei Chen.

Het drie-foton-effect zou wetenschappers in staat kunnen stellen geavanceerde "niet-lineaire optische technieken" te ontwikkelen die een beter contrast bieden dan conventionele technologieën.

"De beeldvormingscapaciteit van drie fotonen zal ons mogelijk in staat stellen om beeldvorming en therapie te combineren voor een betere diagnose en monitoring, ' zei Xia.

Onderzoekers gebruikten een laser in het nabij-infrarode bereik van het spectrum dat pulseerde met de snelheid van femtoseconden, of quadriljoensten van een seconde. De laser pulseert 80 miljoen keer per seconde om weefsels en organen te verlichten nadat nanokooien zijn geïnjecteerd. zei Chen.

De kooien en deeltjes zijn ongeveer 40 nanometer breed, of ongeveer 100 keer kleiner dan een rode bloedcel.

De onderzoekers injecteerden de nanokooien intraveneus in muizen en namen vervolgens foto's van de kleine structuren in weefselmonsters van organen zoals de lever en de milt.