Een onderzoeksteam heeft aangetoond hoe lichtgevende nanodeeltjes, ontwikkeld in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy, kan worden gebruikt om diep in levend weefsel te kijken.

De speciaal ontworpen nanodeeltjes kunnen worden geëxciteerd door laserlicht met ultralaag vermogen op nabij-infrarode golflengten die als veilig worden beschouwd voor het menselijk lichaam. Ze absorberen dit licht en zenden vervolgens zichtbaar licht uit dat kan worden gemeten met standaard beeldapparatuur.

De ontwikkeling en toepassing van biologische beeldvorming van deze nanodeeltjes wordt gedetailleerd beschreven in een studie die op 6 augustus online is gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Onderzoekers hopen deze zogenaamde gelegeerde upconverting nanodeeltjes verder te ontwikkelen, of aUCNP's, zodat ze zich kunnen hechten aan specifieke componenten van cellen om te dienen in een geavanceerd beeldvormingssysteem om zelfs afzonderlijke kankercellen te verlichten, bijvoorbeeld. Een dergelijk systeem kan uiteindelijk zeer nauwkeurige operaties en bestralingsbehandelingen begeleiden, en helpen zelfs zeer kleine sporen van kanker uit te wissen.

"Met een laser die nog zwakker is dan een standaard groene laserpointer, we kunnen diep in het weefsel beelden, " zei Bruce Cohen, die deel uitmaakt van een wetenschappelijk team van Berkeley Lab's Molecular Foundry dat samenwerkt met UC San Francisco-onderzoekers om de nanodeeltjes aan te passen voor medisch gebruik. The Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility die gespecialiseerd is in nanowetenschappelijk onderzoek - het is toegankelijk voor bezoekende wetenschappers uit het hele land en de wereld.

Cohen merkte op dat sommige bestaande beeldvormingssystemen laserlicht met een hoger vermogen gebruiken dat het risico loopt cellen te beschadigen.

"De uitdaging is:hoe brengen we levende systemen met een hoge gevoeligheid in beeld zonder ze te beschadigen? Deze combinatie van laag-energetisch licht en lage laserkrachten is waar iedereen in het veld al een tijdje naar toe werkt, " zei hij. Het laservermogen dat nodig is voor de aUCNP's is miljoenen keren lager dan het vermogen dat nodig is voor conventionele nabij-infrarood-beeldvormingssondes.

In deze laatste studie onderzoekers hebben aangetoond hoe de aUCNP's kunnen worden afgebeeld in levend muisweefsel op enkele millimeters diepte. Ze waren opgewonden met lasers die zwak genoeg waren om geen schade aan te richten.

Onderzoekers injecteerden nanodeeltjes in de borstvetkussentjes van muizen en namen beelden op van het licht dat door de deeltjes werd uitgestraald, die geen enkele toxiciteit voor de cellen leek te vormen.

Er zullen meer tests nodig zijn om te weten of de aUCNP's die in Berkeley Lab worden geproduceerd veilig in mensen kunnen worden geïnjecteerd. en om coatings te testen die wetenschappers van Berkeley Lab ontwerpen om specifiek te binden aan kankercellen.

Dr. Mekhail Anwar, een radiotherapeut-oncoloog en een assistent-professor aan UC San Francisco die deelnamen aan de laatste studie, merkte op dat er tal van medische scantechnieken zijn om kanker te lokaliseren - van mammogrammen tot MRI's en PET-CT-scans - maar deze technieken kunnen op zeer kleine schaal precieze details missen.

"We moeten echt precies weten waar elke kankercel is, " zei Anwar, een Foundry-gebruiker die in zijn onderzoek samenwerkt met wetenschappers van Molecular Foundry. "Meestal zeggen we dat je geluk hebt als we het vroeg opvangen en de kanker slechts ongeveer een centimeter is - dat is ongeveer 1 miljard cellen. Maar waar verstoppen de kleinere groepen cellen zich?"

Toekomstig werk bij de Molecular Foundry zal hopelijk leiden tot verbeterde technieken voor het afbeelden van kanker met behulp van de aUCNP's, hij zei, en onderzoekers ontwikkelen een beeldsensor om te integreren met nanodeeltjes die aan chirurgische apparatuur kunnen worden bevestigd en zelfs chirurgische handschoenen om hotspots van kanker tijdens chirurgische procedures te lokaliseren.

Een doorbraak in de ontwikkeling van UCNP's door het Lab was het vinden van manieren om hun efficiëntie te verhogen bij het uitzenden van het geabsorbeerde licht bij hogere energieën, zei Emory Chan, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die ook deelnam aan de laatste studie.

Al decenia, de onderzoeksgemeenschap was van mening dat de beste manier om deze zogenaamde upconverting-materialen te produceren, was om ze te implanteren of ze te "verdoven" met een lage concentratie metalen die bekend staat als lanthaniden. Te veel van deze metalen, onderzoekers hadden geloofd, zou ervoor zorgen dat het licht dat ze uitstralen minder helder wordt met meer van deze toegevoegde metalen.

Maar experimenten onder leiding van Molecular Foundry-onderzoekers Bining "Bella" Tian en Angel Fernandez-Bravo, die lanthaniderijke UCNP's maakten en hun eigenschappen maten, dit heersende begrip op zijn kop gezet.

Studies van individuele UCNP's bleken bijzonder waardevol om aan te tonen dat erbium, een lanthanide waarvan eerder werd gedacht dat het alleen een rol speelde bij lichtemissie, kan ook direct licht absorberen en een ander lanthanide vrijmaken, ytterbium, om meer licht te absorberen. Emory Chan, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die ook deelnam aan de laatste studie, beschreef de nieuw ontdekte multitasking-rol van erbium in de UCNP's als een "drievoudige bedreiging".

De UCNP's die in de laatste studie zijn gebruikt, hebben een diameter van ongeveer 12-15 nanometer (miljardste van een meter) - klein genoeg om in het weefsel te dringen. "Hun schelpen groeien als een ui, laag voor laag, ' zei Chan.

Jim Schuck, een studiedeelnemer en voormalig Berkeley Lab-wetenschapper nu aan de Columbia University, merkte op dat de laatste studie voortbouwt op een decenniumlange inspanning van de Molecular Foundry om te begrijpen, herontwerp, en vind nieuwe toepassingen voor UCNP's.

"Dit nieuwe paradigma in UCNP-ontwerp, wat leidt tot veel helderdere deeltjes, is een echte game-changer voor alle single-UCNP imaging-toepassingen, " hij zei.

Onderzoekers van de Molecular Foundry gaan werken aan manieren om de fabricage van nanodeeltjes met robots te automatiseren, en om ze te coaten met markers die selectief binden aan kankercellen.

Cohen zei dat het samenwerkingswerk met UCSF nieuwe exploratiemogelijkheden voor UCNP's heeft geopend, en hij verwacht dat de onderzoeksinspanningen zullen groeien.

"We hadden er nooit aan gedacht deze te gebruiken voor beeldvorming tijdens operaties, " zei hij. "Werken met onderzoekers zoals Mekhail opent deze prachtige kruisbestuiving van verschillende velden en verschillende ideeën."

Anwar zei, "We zijn erg dankbaar dat we toegang hebben tot de kennis en het brede scala aan instrumentatie" in de Molecular Foundry van het Lab.