Voor bepaalde frequenties van kortegolf infrarood licht, de meeste biologische weefsels zijn bijna net zo transparant als glas. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben kleine deeltjes gemaakt die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd, waar ze die doordringende frequenties uitzenden. De vooruitgang kan een nieuwe manier bieden om gedetailleerde afbeeldingen te maken van interne lichaamsstructuren, zoals fijne netwerken van bloedvaten.

De nieuwe bevindingen, gebaseerd op het gebruik van lichtemitterende deeltjes die kwantumdots worden genoemd, wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift Natuur Biomedische Technologie , door MIT-onderzoeker Oliver Bruns, recent afgestudeerd Thomas Bischof PhD '15, hoogleraar scheikunde Moungi Bawendi, en 21 anderen.

Near-infrared imaging voor onderzoek aan biologische weefsels, met golflengten tussen 700 en 900 nanometer (miljardste van een meter), wordt veel gebruikt, maar golflengten van rond de 1, 000 tot 2, 000 nanometer kunnen nog betere resultaten opleveren, omdat lichaamsweefsels transparanter zijn voor dat licht. "We wisten dat deze beeldvormingsmodus beter zou zijn" dan bestaande methoden, Bruns legt uit, "maar het ontbrak ons ​​aan emitters van hoge kwaliteit" - dat wil zeggen, lichtemitterende materialen die deze precieze golflengten zouden kunnen produceren.

Lichtgevende deeltjes zijn een specialiteit van Bawendi, de Lester Wolf hoogleraar scheikunde, wiens lab in de loop der jaren nieuwe manieren heeft ontwikkeld om kwantumstippen te maken. Deze nanokristallen, gemaakt van halfgeleidermaterialen, licht uitzenden waarvan de frequentie nauwkeurig kan worden afgesteld door de exacte grootte en samenstelling van de deeltjes te regelen.

De sleutel was om versies van deze kwantumstippen te ontwikkelen waarvan de emissies overeenkwamen met de gewenste kortegolf-infraroodfrequenties en helder genoeg waren om vervolgens gemakkelijk te worden gedetecteerd door de omringende huid en spierweefsels. Het team slaagde erin deeltjes te maken die "orden van grootte beter zijn dan eerdere materialen, en die ongekende details in biologische beeldvorming mogelijk maken, " zegt Bruns. De synthese van deze nieuwe deeltjes werd aanvankelijk beschreven in een paper door afgestudeerde student Daniel Franke en anderen van de Bawendi-groep in Natuurcommunicatie vorig jaar.

De kwantumdots die het team produceerde, zijn zo helder dat hun emissies kunnen worden vastgelegd met zeer korte belichtingstijden. hij zegt. Dit maakt het mogelijk om niet alleen afzonderlijke beelden te produceren, maar ook video die bewegingsdetails vastlegt, zoals de bloedstroom, waardoor het mogelijk is om aders en slagaders te onderscheiden.

De nieuwe lichtemitterende deeltjes zijn ook de eerste die helder genoeg zijn om beeldvorming van interne organen mogelijk te maken bij muizen die wakker zijn en bewegen, in tegenstelling tot eerdere methoden waarbij ze moesten worden verdoofd, zegt Bruns. De eerste aanvragen zijn voor preklinisch onderzoek bij dieren, aangezien de verbindingen enkele materialen bevatten waarvan het onwaarschijnlijk is dat ze worden goedgekeurd voor gebruik bij mensen. De onderzoekers werken ook aan het ontwikkelen van versies die veiliger zijn voor de mens.

De methode is ook gebaseerd op het gebruik van een nieuw ontwikkelde camera die zeer gevoelig is voor dit specifieke bereik van kortegolf-infraroodlicht. De camera is een commercieel ontwikkeld product, Bruns zegt, maar zijn team was de eerste klant voor de gespecialiseerde detector van de camera, gemaakt van indium-gallium-arsenide. Hoewel deze camera is ontwikkeld voor onderzoeksdoeleinden, deze frequenties van infrarood licht worden ook gebruikt om door mist of rook heen te kijken.

De nieuwe methode kan niet alleen de richting van de bloedstroom bepalen, Bruns zegt, het is gedetailleerd genoeg om individuele bloedcellen binnen die stroom te volgen. "We kunnen de stroom in elk capillair volgen, op superhoge snelheid, "zegt hij. "We kunnen een kwantitatieve maatstaf voor de stroom krijgen, en we kunnen dergelijke stromingsmetingen doen met een zeer hoge resolutie, over grote gebieden."

Dergelijke beeldvorming zou mogelijk kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om te bestuderen hoe het bloedstroompatroon in een tumor verandert naarmate de tumor zich ontwikkelt, wat zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekteprogressie of respons op een medicamenteuze behandeling te volgen. "Dit zou een goede indicatie kunnen geven van hoe behandelingen werken die voorheen niet mogelijk waren, " hij zegt.