(Phys.org) —Een op kleurstof gebaseerde beeldvormingstechniek die bekend staat als twee-fotonmicroscopie, kan beelden van actieve neurale structuren met veel fijner detail produceren dan functionele magnetische resonantiebeeldvorming, of fMRI, maar het vereist krachtige en dure lasers. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Universiteit van Pennsylvania heeft een nieuw soort kleurstof ontwikkeld die de kosten van de techniek met verschillende ordes van grootte zou kunnen verlagen.

De studie werd geleid door universitair hoofddocent Sergei Vinogradov en postdoctoraal onderzoeker Tatiana Esipova, beide van de afdeling Biochemie en Moleculaire Biofysica in Penn's Perelman School of Medicine, samen met Christopher Murray, een professor in de afdelingen Scheikunde in de School of Arts and Sciences en Materials Science and Engineering in de School of Engineering and Applied Science.

Het werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academies of Sciences .

Twee-fotonenmicroscopie omvat het gebruik van een krachtige laser om snel fotonen te schieten in een zeer gerichte straal die door levend weefsel kan gaan. De gecombineerde energie van een paar infraroodfotonen die botsen met een molecuul van een markerkleurstof, zorgt ervoor dat deze in het zichtbare bereik fluoresceert. Door de focus van de bundel over een driedimensionale ruimte te scannen, de fluorescentie van de kleurstof kan zelfs de kleinste 3D-structuren onthullen, zoals bloedcapillairen in de hersenen en zelfs individuele cellen. En door kleurstoffen te gebruiken die gevoelig zijn voor de chemie van specifieke biologische processen, zoals de beweging van calciumionen waardoor neuronen kunnen vuren, de techniek kan zelfs worden gebruikt voor functionele beeldvorming; het kan veranderingen in neurale activiteit waarnemen terwijl een onderwerp denkt.

"Het is praktisch de enige manier om op diepte naar individuele cellen of zelfs subcellulaire structuren in de hersenen te kijken, "Vinogradov zei. "FMRI geeft je alleen grotere regio's; je ziet de details niet. En veel van de dingen die we willen onderzoeken, liggen heel dicht bij elkaar."

Het nadeel van deze techniek is dat de momenteel beschikbare kleurstoffen enorme hoeveelheden energie nodig hebben om bruikbare afbeeldingen te produceren. Onderzoekers moeten femtoseconde lasers gebruiken, die een quadriljoen fotonparen per seconde kan schieten. Deze lasers zijn erg duur, echter, beperking van de toepassingen van de microscopietechniek.

Een mogelijke oplossing zou zijn om een ​​kleurstof te gebruiken die gemakkelijker fluoresceert. Hiertoe, nanodeeltjes gemaakt van de lanthanide-elementen zijn lang onderzocht als moleculaire sondes.

"Deze nanodeeltjes hebben een prikkelbaarheid die een miljoen tot 10 miljoen keer hoger is dan bestaande moleculaire kleurstoffen, " Vinogradov zei. "Dat betekent om deze nanodeeltjes te prikkelen, je zou een lichtbron kunnen gebruiken die dichter bij $ 200 kost in plaats van $ 200, 000."

De uitdaging was toen om lanthanide-nanodeeltjes in het soort weefsel te krijgen dat onderzoekers wilden bestuderen, zoals de hersenen. Omdat deze nanodeeltjes niet oplosbaar zijn, ze kunnen niet veilig in de bloedbaan worden geïnjecteerd. In plaats van met het bloed mee te stromen, ze zouden op de bodem van bloedvaten zitten, uiteindelijk een stolsel vormen.

Andere groepen hadden geprobeerd de oplosbaarheid van de nanodeeltjes te vergroten door ze in hydrofiel, of waterminnend, polymeren. Deze polymeren zijn in wezen strengen met een staart die wordt aangetrokken door water en een kop die wordt aangetrokken door het deeltje. In theorie, de kop zou binden aan het oppervlak van de nanodeeltjes en de staart zou interageren met de bloedbaan, maar, omdat de snaar door een enkel contactpunt aan het deeltje zou zijn bevestigd, het kan er gemakkelijk af vallen. Het toevoegen van meer deeltjesbindingsplaatsen aan de string lost het ene probleem op, maar creëert een ander.

"Dit soort touw wikkelt zich om en plakt aan het deeltje, maar geen van zijn hydrofiele delen blijft beschikbaar voor interactie met het oplosmiddel, "Zei Vinogradov. "Het hecht zich aan het nanodeeltje, maar maakt het niet significant beter oplosbaar."

Vinogradov en zijn collega's pakten het anders aan, het vormen van dendritische polymeren. Deze dendrimeren hebben meerdere vertakkingen die aan een kern zijn bevestigd, waardoor ze een algemene bolvorm krijgen.

"Stel je hebt een tennisbal, en je plakt het op een met klittenband gecoate muur. Omdat het een bal is, er is nog steeds een aanzienlijk deel van het oppervlak dat nog steeds zichtbaar is, " Zei Vinogradov. "We nemen de lanthanide-nanodeeltjes en bedekken hun hele oppervlak met deze hydrofiele ballen. Het is een heel eenvoudig geometrisch concept."

Het bevestigen van deze dendrimeren aan nanodeeltjes was mogelijk dankzij het eerdere onderzoek van Christopher Murray, die een speciale procedure mogelijk maakte om nanodeeltjesoppervlakken te "primen-coaten" met een laag die hun interactie met dendrimeren vergemakkelijkt.

De onderzoekers testten de werkzaamheid van deze aanpak op een muismodel. Ze begonnen met het injecteren van een conventionele marker-kleurstof en met behulp van een femtoseconde laser om de vasculatuur van een deel van de hersenen van de muis in kaart te brengen. Ze schakelden toen over op een laser die een miljoen keer zwakker was en brachten dezelfde regio opnieuw in kaart, voorspelbaar produceren geen fluorescentie. Eindelijk, ze hielden dezelfde zwakke laser, maar injecteerden de met dendrimeer beklede nanodeeltjes, waardoor de onderzoekers dezelfde beelden konden produceren als in de eerste proef.

"Dit betekent dat we hetzelfde experiment hebben gedaan als de femtoseconde laser, maar met een die honderdduizenden dollars minder kost, ' zei Vinogradov.

Dit experiment was de eerste demonstratie van het gebruik van lanthanide-nanodeeltjes bij neuromiaging, evenals het eerste voorbeeld van in vivo microscopie met twee fotonen met eenvoudige, goedkope lasers.