(Phys.org) — Fotoakoestische beeldvorming is een hybride biomedische beeldvormingsmodaliteit, gebaseerd op het fotoakoestische effect, waarbij niet-ioniserende laserpulsen in biologische weefsels worden afgeleverd. (Specifieker, in het fotoakoestische effect worden geluidsgolven gevormd als gevolg van drukveranderingen wanneer een materiaal gemoduleerd of gepulseerd licht met variërende intensiteit absorbeert. Deze golven worden dan gedetecteerd door, bijvoorbeeld, microfoons of piëzo-elektrische sensoren. Het resulterende foto-akoestische signaal is de stroom of spanning die de waarde geeft die aangeeft hoe de geluidsgolven in de tijd variëren.) Onlangs, wetenschappers van Stanford University ontwikkelden een nieuwe klasse contrastmiddelen voor fotoakoestische moleculaire beeldvorming - namelijk, bijna-infrarood (NIR) lichtabsorberende halfgeleidende polymeer nanodeeltjes (SPN's) die een sterker signaal produceren dan enkelwandige koolstofnanobuisjes en gouden nanostaafjes - eigenschappen die de onderzoekers in staat stelden om foto-akoestische fotoakoestische mapping van lymfeklieren van het hele lichaam uit te voeren op levende laboratoriummuizen. In aanvulling, deze halfgeleidende polymeer nanodeeltjes hebben een hoge structurele flexibiliteit, smalle fotoakoestische spectrale profielen en sterke weerstand tegen fotodegradatie en oxidatie - eigenschappen die essentieel zijn voor het ontwerpen van de eerste nabij-infrarood ratiometrische fotoakoestische sonde voor in vivo real-time beeldvorming van de reactieve zuurstofspecies (ROS) die veel ziekten mediëren. Kortom, zeggen de onderzoekers, hun resultaten tonen aan dat nanodeeltjes van halfgeleidend polymeer het perfecte nanoplatform zijn voor de ontwikkeling van fotoakoestische moleculaire sondes.

Prof. Jianghong Rao besprak het artikel dat hij, Dr. Kanyi Pu en hun co-auteurs gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie . "Ten eerste, er zijn verschillende ideale eigenschappen die een fotoakoestische beeldsonde zou moeten hebben, " vertelt Rao aan Phys.org. "Dit zijn geen of lage toxiciteit, hoge fotoakoestische efficiëntie, uitstekende fotostabiliteit en chemische stabiliteit, absorptie in infrarode of dichtbijgelegen-infrarode golflengte om de achtergrondlichtabsorptie van het weefsel te vermijden en betere lichtpenetratie te bereiken, en - voor een moleculaire beeldvormingssonde - de mogelijkheid om doelspecifiek fotoakoestisch beeldcontrast te genereren." Rao gaat verder, huidige fotoakoestische contrastmiddelen voldoen over het algemeen niet aan al deze eisen, die ofwel een slechte fotostabiliteit hebben, slechte oxidatiestabiliteit, of toxiciteitsproblemen. Hoewel fotoakoestische beeldvorming de fysiologische en pathologische visualisatie op moleculair niveau aanzienlijk zal verbeteren met diepe weefselpenetratie en fijne ruimtelijke resolutie, eerst moeten fotoakoestische moleculaire beeldvormende sondes worden ontwikkeld.

Anderzijds, Rao merkt op dat nanodeeltjes van halfgeleidende polymeren een aantal aantrekkelijke eigenschappen bieden, waaronder een fotoakoestisch contrastmiddel voor beeldvorming, geen gebruik van giftige metalen, biologisch inert zijn, met een hoge fotostabiliteit, zijn bestand tegen oxidatie, en het vermogen om te worden gemaakt met een hoge absorptie van nabij-infraroodlicht. "De belangrijkste vraag, " hij legt uit, "was of het efficiënt was voor halfgeleidende polymere nanodeeltjes om akoestische signalen te produceren na lichtexcitatie - en we moesten het type polymeer onderzoeken om dit te bepalen. Dit alles gezegd, de grote uitdaging voor moleculaire fotoakoestische beeldvormingssondes is of ze een specifiek signaal kunnen produceren als reactie op hun moleculaire doelen. Dit vereist een signaalactiveringsmechanisme dat wordt gecontroleerd door het moleculaire doelwit."

Bij het aanpakken van deze uitdagingen, Rao zegt dat hun belangrijkste inzicht was dat een halfgeleidend polymeer kan worden geformuleerd in een in water oplosbaar nanodeeltje en, afhankelijk van de structuur, de resulterende nanodeeltjes kunnen zeer efficiënt zijn voor fotoakoestische beeldvorming. "Onze belangrijkste innovatie bij het ontwerpen van halfgeleidende polymere nanodeeltjes in een foto-akoestische moleculaire beeldvormingssonde was de introductie van ratiometrische beeldvorming die veel wordt gebruikt in fluorescentiebeeldvorming, "zegt hij. Ratiometrische beeldvormingstechnieken observeren emissiegolflengteverschuivingen van fluoroforen (fluorescerende chemische verbindingen die fotonen opnieuw kunnen uitzenden bij lichtexcitatie) of door de emissie-intensiteit van een fluorofoorcombinatie te vergelijken in plaats van alleen intensiteitsveranderingen te meten. "Door de sonde op twee verschillende golflengten, de activering van het doelwit leidt tot de verandering in het fotoakoestische signaal bij één golflengte, dus de verhouding van de signalen op twee golflengten zal dienovereenkomstig veranderen. Hierdoor konden we een doelspecifiek fotoakoestisch signaal creëren."

Rao beschrijft enkele van de interessante en belangrijke bevindingen van het artikel, te beginnen met hun fundamentele demonstratie dat nabij-infrarood lichtabsorberende halfgeleidende polymeer nanodeeltjes kunnen dienen als een efficiënt en stabiel nanoplatform om fotonen te gebruiken om ultrasone golven te genereren, waardoor in vivo fotoakoestische moleculaire beeldvorming mogelijk is. "Halfgeleidende polymeer nanodeeltjes kunnen een grote hoeveelheid nabij-infrarood licht absorberen, " legt hij uit. "De geabsorbeerde energie wordt vervolgens afgevoerd als warmte om geluidsgolven te genereren en deze golven kunnen worden gedetecteerd door de ultrasone transducer en op hun beurt worden benut voor fotoakoestische beeldvorming. Een ander resultaat aanpakken - dat activeerbare moleculaire beeldvormingsprobes een intrinsieke signaalevolutie kunnen ondergaan bij het detecteren van moleculaire doelen of gebeurtenissen, het verstrekken van een real-time correlatie tussen sonde geactiveerde versus niet-geactiveerde toestanden en pathologische processen op moleculair niveau - Rao wijst erop dat in deze studie, de sonde produceert foto-akoestische signalen bij twee verschillende golflengten (700 nm en 820 nm) vóór activering door het moleculaire doelwit ROS (reactive oxygen species). "Na activering, " hij voegt toe, "het signaal bij 820 nm gaat verloren, en het signaal bij 700 nm blijft. Deze signaalverandering weerspiegelt dus de aanwezigheid en activiteit van het doelwit. De beeldvorming is snel, zodat de detectie in realtime kan zijn. De beeldvorming legt de moleculaire verandering van de sonde vast die de activiteit van het ROS-moleculaire doelwit in de ziekte weerspiegelt."

Het artikel benadrukt dat volledig gebruik van het potentieel van fotoakoestische beeldvorming met een diepte en ruimtelijke resolutie die onbereikbaar is door fluorescentiebeeldvorming, nieuwe materialen vereist die geschikt zijn voor de constructie van activeerbare fotoakoestische sondes. "Activeerbare sondes kunnen het mogelijk maken om fysiologische en pathologische moleculaire gebeurtenissen te detecteren, " legt Rao uit. "Echter, de meeste huidige activeerbare probes zijn afhankelijk van fluorescentie, die niet de diepe beelddiepte en hoge ruimtelijke resolutie biedt die foto-akoestische beeldvorming biedt."

Vooruit gaan, Rao zegt, de wetenschappers blijven hun toepassing voor beeldvorming onderzoeken - bijvoorbeeld fotoakoestische beeldvorming van kanker door een tumor-targeting-molecuul aan het nanodeeltje te bevestigen. "Een ander gebied zal zijn om meer polymeren te onderzoeken die absorberen bij verschillende nabij-infrarode golflengten, " hij voegt toe, "waardoor meerdere doelbeeldvorming tegelijkertijd kan worden gedaan. Bovendien, terwijl dit werk de beeldvorming van reactieve zuurstofsoorten demonstreert, andere moleculaire doelen, zoals pH en enzymsoorten, kan op dezelfde manier worden afgebeeld." Rao wijst er ook op dat het mogelijk kan zijn om de nieuwe aanpak te combineren met medicijnafgifte, effectief creëren van zogenaamde theranostisch nanodeeltjes voor gepersonaliseerde zorgtoepassingen door patiënten te testen op mogelijke reacties op een nieuw medicijn, en vervolgens op basis van de testresultaten een behandeling voor hen af ​​te stemmen.

Rao somt een aantal toepassingen op die naar aanleiding van hun onderzoek naar voren zullen komen. "Ons onderzoek zal hoogstwaarschijnlijk leiden tot het gebruik van halfgeleidende nanodeeltjes voor fotoakoestische beeldvorming op preklinische diermodellen, zoals beeldvorming van ROS in diepe weefsellocaties bij ziekten, ", zegt hij. "Het zou ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van andere op halfgeleidende polymeren gebaseerde fotoakoestische beeldvormingssondes, zowel targeting probes door conjugeren van een targeting ligand" (een klein molecuul dat een complex vormt met een biomolecuul om een ​​biologisch doel te dienen) "en activeerbare probes signaleren activering door moleculaire doelen anders dan ROS."

Wat betreft andere onderzoeksgebieden die baat kunnen hebben bij hun studie, Rao vertelt Phys.org dat het nieuwe nanomateriaal het vermogen om kanker te bestuderen moet verbeteren, neurodegeneratief, cardiovasculair, en vele andere ziekten in diermodellen, en helpen bij het blootleggen van de rol van afwijkende RONS (reactieve zuurstof- en stikstofsoorten) bij deze ziekten en bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe therapieën. "Met de vertaling van fotoakoestische beeldvorming naar klinieken, "Rao concludeert, "het kan ook worden toegepast op klinisch onderzoek."

© 2014 Fysio.org. Alle rechten voorbehouden.