Om ziekten nauwkeurig te diagnosticeren en te behandelen, moeten artsen en onderzoekers in lichamen kijken. Hulpmiddelen voor medische beeldvorming hebben een lange weg afgelegd sinds de eenvoudige röntgenfoto, maar de meeste bestaande hulpmiddelen blijven te grof om aantallen of specifieke soorten cellen in diepe weefsels van het lichaam te kwantificeren.

Quantum dots kunnen dat, blijkt uit nieuw onderzoek bij muizen van de University of Illinois.

"Quantum dots kunnen dingen in het lichaam meten die heel, heel dynamisch en gecompliceerd zijn en die we momenteel niet kunnen zien. Ze geven ons de mogelijkheid om cellen te tellen, hun exacte locaties te detecteren en veranderingen in de tijd waar te nemen. Ik denk dat het echt een enorme vooruitgang", zegt Andrew Smith, professor in de afdeling Bioengineering van U of I en co-auteur van de ACS Nano studeren.

Quantum dots zijn in het laboratorium gekweekte nanodeeltjes - slechts een paar honderd atomen groot - met speciale optische eigenschappen die kunnen worden gedetecteerd door standaardmicroscopie, tomografie (bijv. PET/CT-scanners) en fluorescentiebeeldvorming. Afhankelijk van hun grootte en samenstelling kunnen bio-ingenieurs zoals Smith ze laten gloeien in specifieke kleuren en licht uitstralen in het infraroodspectrum.

"Het uitstralen van licht in het infrarood is zeldzaam. Er wordt heel weinig licht uitgestraald door weefsels in het infrarood, dus als je ze in het lichaam stopt, zien ze er heel helder uit. We kunnen diep in het lichaam kijken en kunnen dingen nauwkeuriger meten dan we zouden kunnen met behulp van technologie in het zichtbare bereik", zegt Smith.

In de ACS Nano studie lieten Smith en collega's kwantumstippen los op macrofagen.

Wanneer ons lichaam ziekteverwekkers moet opslokken of celresten moet opruimen, gaan macrofagen aan het werk. Een van hun taken is het initiëren van ontstekingen, waardoor de omgeving onherbergzaam wordt voor schadelijke microben. Maar soms doen ze dat werk te goed. Afhankelijk van het weefsel waarin ze zich bevinden, kan chronische ontsteking als gevolg van macrofaagactiviteit leiden tot diabetes, cardiovasculaire problemen, kankers en meer.

Het U van I-team was vooral geïnteresseerd in macrofagen in vet of vetweefsel.

"Met gewichtstoename en obesitas is bekend dat het aantal macrofagen in vetweefsel toeneemt en de neiging heeft te verschuiven naar een inflammatoir fenotype, dat bijdraagt ​​​​aan de ontwikkeling van insulineresistentie en metabool syndroom. Het aantal en de locatie van macrofagen in vetweefsel zijn slecht beschreven, vooral in vivo", zegt Kelly Swanson, bijzonder hoogleraar menselijke voeding van Kraft Heinz Company aan de afdeling Dierwetenschappen aan de U of I en co-auteur van de studie.

"De kwantumstippen die onze groep heeft ontwikkeld, zorgen voor een betere kwantificering en karakterisering van de cellen die aanwezig zijn in vetweefsel en hun ruimtelijke verdeling", voegt hij eraan toe.

Het team creëerde kwantumstippen bedekt met dextran, een suikermolecuul dat zich ook richt op macrofagen in vetweefsel. Als proof-of-concept injecteerden ze deze kwantumstippen in zwaarlijvige muizen en vergeleken ze de beeldvormingsresultaten met alleen dextran, de huidige standaard voor het afbeelden van macrofagen.

Quantum dots presteerden beter dan dextran alleen op alle beeldvormingsplatforms, inclusief eenvoudige optische technieken.

"Quantum dots verspreiden een enorme hoeveelheid licht, waardoor we in staat zijn om specifieke celtypen in grotere mate te meten en te identificeren waar ze zich bevinden", zegt Smith. "Die mate van lichtopbrengst maakt het gebruik van optische technieken mogelijk, die veel toegankelijker zijn dan andere beeldvormingstechnologieën. In vergelijking met MRI- en PET-scanners zijn het goedkope instrumenten die in een kleine kliniek kunnen worden geplaatst. Iedereen zou er een kunnen hebben."

Hoewel kwantumdots nog niet bij mensen zijn gebruikt, ziet Swanson een toekomst waarin een eenvoudige optische technologie zoals echografie kan worden gebruikt om op niet-invasieve wijze inflammatoire macrofagen bij patiënten met overgewicht te diagnosticeren en te volgen.

"Er kan een apparaat zijn zoals een echografie waarmee je iemand scant, en zelfs als het gewicht van een patiënt niet is veranderd, kan een arts zien of de celtypen veranderen. Meer ontstekingscellen kunnen insulineresistentie en andere problemen voorspellen", zegt hij. . "Daarom ben ik er in geïnteresseerd, vanwege de diagnostische eigenschappen."

Quantum dots worden niet bij mensen gebruikt omdat ze meestal zijn gemaakt met zware metalen zoals cadmium en kwik, en wetenschappers hebben nog steeds niet ontdekt hoe ze worden gemetaboliseerd en uit het lichaam worden verwijderd. Smith en zijn team werken aan kwantumstippen gemaakt met veiligere elementen, maar tot die tijd blijven ze een onschatbaar onderzoeksinstrument. Hun lange circulatietijd - negen keer zo lang als dextran in het huidige onderzoek - zou diagnostici bijvoorbeeld een manier kunnen bieden om verder te gaan dan een momentopname.

"Er is een enorme variabiliteit van macrofagen, zelfs over een dag. Vetweefsel kan midden op de dag een zeer hoog aantal hebben, en dan zakt het helemaal naar beneden", zegt Smith. "In dierstudies kunnen we aan het begin en het einde van een dag dieren offeren om de trend te bestuderen, maar met kwantumstippen hoeven we dat misschien niet te doen. Je zou één dier in de loop van de tijd kunnen volgen om de voortgang te zien.

"Quantumdots bieden enorm veel waarde in dierstudies. Dus zelfs als kwantumdots de mens niet bereiken, als we nooit een manier vinden om ze niet-toxisch te maken, is de waarde nog steeds echt geweldig." + Verder verkennen

Luminescerende kristallen van nanoformaat zijn veelbelovend om diep in lichaamsweefsels te kijken