Het vinden van een enkele kankercel die is losgebroken van een tumor en door de bloedbaan reist om een ​​nieuw orgaan te koloniseren, lijkt misschien een speld in een hooiberg te vinden. Maar een nieuwe beeldvormingstechniek van de Universiteit van Washington is een eerste stap om dit mogelijk te maken.

UW-onderzoekers hebben een multifunctioneel nanodeeltje ontwikkeld dat het achtergrondgeluid elimineert, een preciezere vorm van medische beeldvorming mogelijk maken - in wezen de hooiberg uitwissen, zodat de naald er doorheen schijnt. Een succesvolle demonstratie met foto-akoestische beeldvorming werd vandaag (27 juli) gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Nanodeeltjes zijn veelbelovende contrastmiddelen voor ultragevoelige medische beeldvorming. Maar bij alle technieken die geen gebruik maken van radioactieve tracers, de omliggende weefsels hebben de neiging om zwakke signalen te overweldigen, voorkomen dat onderzoekers slechts één of enkele cellen detecteren.

"Hoewel de weefsels lang niet zo effectief zijn in het genereren van een signaal als het contrastmiddel, de hoeveelheid weefsel is veel groter dan de hoeveelheid contrastmiddel en dus is het achtergrondsignaal erg hoog, " zei hoofdauteur Xiaohu Gao, een UW-assistent-professor bio-engineering.

Het nieuw gepresenteerde nanodeeltje lost dit probleem op door voor het eerst twee eigenschappen te combineren om een ​​beeld te creëren dat verschilt van wat een bestaande techniek had kunnen produceren.

Het nieuwe deeltje combineert magnetische eigenschappen en fotoakoestische beeldvorming om het achtergrondgeluid te wissen. Onderzoekers gebruikten een pulserend magnetisch veld om de nanodeeltjes door hun magnetische kernen te schudden. Daarna namen ze een fotoakoestisch beeld en gebruikten beeldverwerkingstechnieken om alles te verwijderen, behalve de trillende pixels.

Gao vergelijkt de nieuwe techniek met "Tourist Remover" fotobewerkingssoftware waarmee een fotograaf andere mensen kan verwijderen door verschillende foto's van dezelfde scène te combineren en alleen de delen van de afbeelding te behouden die niet bewegen. "We gebruiken een zeer vergelijkbare strategie, " zei Gao. "In plaats van de stationaire delen te houden, we houden alleen het bewegende deel.

"We gebruiken een extern magnetisch veld om de deeltjes te schudden, "legde hij uit. "Dan is er maar één type deeltje dat zal trillen met de frequentie van ons magnetische veld, dat is ons eigen deeltje."

Experimenten met synthetisch weefsel toonden aan dat de techniek een sterk achtergrondsignaal bijna volledig kan onderdrukken. Toekomstig werk zal proberen de resultaten bij proefdieren te dupliceren, zei Gao.

Het deeltje van 30 nanometer bestaat uit een magnetische kern van ijzeroxide met een dunne gouden schil die het midden omringt maar niet raakt. De gouden schaal wordt gebruikt om infrarood licht te absorberen, en kan ook worden gebruikt voor optische beeldvorming, het geven van warmtetherapie, of het bevestigen van een biomolecuul dat zich aan specifieke cellen zou vastgrijpen.

Eerder werk van Gao's groep combineerde functies in een enkel nanodeeltje, iets wat lastig is vanwege het kleine formaat.

"Bij nanodeeltjes één plus één is vaak minder dan twee, " zei Gao. "Ons eerdere werk toonde aan dat één plus één gelijk kan zijn aan twee. Dit artikel laat zien dat één plus één is, Tenslotte, groter dan twee."

De eerste biologische beeldvorming, in de jaren vijftig, werd gebruikt om de anatomie in het lichaam te identificeren, het opsporen van tumoren of foetussen. De tweede generatie is gebruikt om de functie te controleren - fMRI, of functionele magnetische resonantie beeldvorming, bijvoorbeeld, detecteert zuurstofgebruik in de hersenen om een ​​beeld te krijgen van hersenactiviteit. De volgende generatie van beeldvorming zal moleculaire beeldvorming zijn, zei co-auteur Matthew O'Donnell, een UW hoogleraar bio-engineering en engineering decaan.

Dit betekent dat medische tests en celtellingen in het lichaam kunnen worden gedaan. Met andere woorden, in plaats van een biopsie te nemen en weefsel onder een microscoop te inspecteren, beeldvorming zou specifieke eiwitten of abnormale activiteit bij de bron kunnen detecteren.

Maar om dit mogelijk te maken, moeten de betrouwbaarheidslimieten van de beeldvorming worden verbeterd.

"Vandaag, we kunnen biomarkers gebruiken om te zien waar een grote verzameling zieke cellen is, "Zei O'Donnell. "Deze nieuwe techniek kan je naar een heel precies niveau brengen, mogelijk van een enkele cel."

Onderzoekers testten de methode voor fotoakoestische beeldvorming, er wordt nu een goedkope methode ontwikkeld die gevoelig is voor kleine variaties in weefseleigenschappen en die enkele centimeters in zacht weefsel kan doordringen. Het werkt door een puls van laserlicht te gebruiken om een ​​cel heel licht te verwarmen. Deze warmte zorgt ervoor dat de cel gaat trillen en ultrasone golven produceert die door het weefsel naar het lichaamsoppervlak reizen. De nieuwe techniek zou ook moeten gelden voor andere soorten beeldvorming, zeiden de auteurs.