Het ontwikkelen van medicijnen om menselijke ziekten te bestrijden of te genezen, omvat vaak een fase van testen met muizen, dus het is echt waardevol om duidelijk in de ingewanden van een levende muis te kunnen kijken.

Maar met de fluorescerende kleurstoffen die momenteel worden gebruikt om het interieur van laboratoriummuizen in beeld te brengen, het uitzicht wordt enkele millimeters onder de huid zo troebel dat onderzoekers misschien meer succes hebben bij het bepalen van de toekomst van de ingewanden van het knaagdier dan bij het extraheren van bruikbare gegevens.

Nu hebben Stanford-onderzoekers een verbeterde beeldvormingsmethode ontwikkeld met behulp van fluorescerende koolstofnanobuisjes waarmee ze centimeters diep in een muis kunnen kijken met veel meer duidelijkheid dan conventionele kleurstoffen bieden. Voor een wezen zo groot als een muis, een paar centimeter maakt een groot verschil.

"We hebben al vergelijkbare koolstofnanobuisjes gebruikt om medicijnen te leveren om kanker te behandelen in laboratoriumtests bij muizen, maar je wilt graag weten waar je levering is gebleven, toch?" zei Hongjie Dai, een hoogleraar scheikunde. "Met de fluorescerende nanobuisjes, we kunnen gelijktijdig medicijnafgifte en beeldvorming uitvoeren - in realtime - om de nauwkeurigheid van een medicijn bij het bereiken van zijn doelwit te evalueren."

Onderzoekers injecteren de enkelwandige koolstofnanobuisjes in een muis en kunnen kijken hoe de buisjes door de bloedbaan aan interne organen worden afgeleverd.

De nanobuisjes fluoresceren fel als reactie op het licht van een laser die op de muis is gericht, terwijl een camera die is afgestemd op de nabij-infrarode golflengten van de nanobuisjes, de beelden opneemt.

Door de nanobuisjes aan een medicijn te bevestigen, onderzoekers kunnen zien hoe het medicijn door het lichaam van de muis vordert.

Dai is een van de auteurs van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven dat deze maand online is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De sleutel tot het nut van de nanobuisjes is dat ze in een ander deel van het nabij-infraroodspectrum schijnen dan de meeste kleurstoffen.

Biologische weefsels – of het nu muizen of mensen zijn – fluoresceren van nature bij golflengten onder 900 nanometer, die in hetzelfde bereik ligt als de beschikbare biocompatibele organische fluorescerende kleurstoffen. Dat resulteert in ongewenste achtergrondfluorescentie, die de beelden vertroebelt wanneer kleurstoffen worden gebruikt. Maar de nanobuisjes die door Dai's groep worden gebruikt, fluoresceren bij golflengten tussen 1, 000 en 1, 400 nanometer. Bij die golflengten is er nauwelijks natuurlijke weefselfluorescentie, dus achtergrond "ruis" is minimaal.

Het nut van nanobuisjes wordt verder vergroot omdat weefsel minder licht verstrooit in het langere golflengtegebied van het nabij-infrarood, het verminderen van beeldvegen als licht beweegt of door het lichaam reist, nog een voordeel ten opzichte van fluoroforen die minder dan 900 nm uitzenden.

"De nanobuisjes fluoresceren van nature, maar ze zenden uit in een zeer vreemde regio, " zei Dai. "Er zijn niet veel dingen - levend of inert - die in deze regio uitstoten, daarom is het niet veel onderzocht voor biologische beeldvorming."

Door enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNTS) te selecteren met verschillende chiraliteitendiameters en andere eigenschappen, Dai en zijn team kunnen de golflengte verfijnen waarop de nanobuisjes fluoresceren.

De nanobuisjes worden direct na injectie in de bloedbaan van muizen afgebeeld.

Dai en afgestudeerde studenten Sarah Sherlock en Kevin Welsher, die ook co-auteurs zijn van de PNAS papier, observeerde de fluorescerende nanobuisjes binnen enkele seconden na injectie door de longen en nieren. De milt en lever lichtten een paar seconden later op.

De groep deed ook wat "postproductie" werk aan digitale videobeelden van de circulerende nanobuisjes om de beeldkwaliteit verder te verbeteren met behulp van een proces dat "hoofdcomponentenanalyse" wordt genoemd.

"In de ruwe beeldvorming, De milt, pancreas en nier kunnen verschijnen als één gegeneraliseerd signaal, "Zei Sherlock. "Maar dit proces pikt de subtiliteiten in signaalvariatie op en lost wat op het eerste gezicht één signaal lijkt op in de verschillende organen."

"Je kunt echt dingen zien die diep van binnen zitten of worden geblokkeerd door andere organen zoals de alvleesklier, ' zei Dai.

Er zijn enkele andere beeldvormingsmethoden die diepe weefselbeelden kunnen produceren, zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en computertomografie (CT) scans. Maar fluorescentiebeeldvorming wordt veel gebruikt in onderzoek en vereist eenvoudigere machines.

Dai zei dat de fluorescerende nanobuisjes niet in staat zijn om de diepte van CT- of MRI-scans te bereiken, maar nanobuisjes zijn een stap voorwaarts in het verbreden van het potentiële gebruik van fluorescentie als beeldvormingssysteem buiten de oppervlakte- en nabij-oppervlaktetoepassingen waartoe het tot nu toe beperkt was.

Sinds nanobuisfluorescentie ongeveer tien jaar geleden werd ontdekt, onderzoekers hebben geprobeerd de fluorescentie helderder te maken, zei Dai. Nog altijd, hij was een beetje verbaasd over hoe goed ze nu werken bij dieren.

"Ik had niet gedacht dat ze echt bij dieren konden worden gebruikt om zulke diepe beelden te krijgen, " zei hij. "Als je naar dit soort beelden kijkt, je krijgt het gevoel dat het lichaam bijna transparant is."