Наночастицы открывают новое окно для биологической визуализации
Исследователи нашли способ создания крошечных частиц, которые можно вводить в организм, где они излучают коротковолновый инфракрасный свет.
Это может открыть новый способ получения детальных изображений внутренних структур тела, таких как тонкие сети кровеносных сосудов.
“Квантовые точки”, излучающие инфракрасный свет, позволяют получать высокодетализированные изображения внутренних структур тела.
Информационное бюро Массачусетского технологического института
Исследователи нашли способ создания крошечных частиц, которые можно вводить в организм, где они излучают коротковолновый инфракрасный свет.
Это может открыть новый способ получения детальных изображений внутренних структур тела, таких как тонкие сети кровеносных сосудов.
Исследователи нашли способ создания крошечных частиц, которые можно вводить в организм, где они излучают коротковолновый инфракрасный свет.
Это может открыть новый способ получения детальных изображений внутренних структур тела, таких как тонкие сети кровеносных сосудов.
Изображение: Группа Бавенди в Массачусетском технологическом институте
Для определенных частот коротковолнового инфракрасного излучения большинство биологических тканей почти так же прозрачны, как стекло. Теперь исследователи создали крошечные частицы, которые можно вводить в организм, где они излучают эти проникающие частоты. Это может обеспечить новый способ получения детальных изображений внутренних структур тела, таких как тонкие сети кровеносных сосудов.
Новые результаты, основанные на использовании светоизлучающих частиц, называемых квантовыми точками, описаны в статье в журнале Nature Biomedical Engineeringученым-исследователем Массачусетского технологического института Оливером Брунсом, недавним выпускником Томасом Бишофом, доктором философии 15 лет, профессором химии Мунги Бавенди и 21 другим.
Для исследований биологических тканей широко используется изображение в ближнем инфракрасном диапазоне с длинами волн от 700 до 900 нанометров (миллиардные доли метра), но длины волн от 1000 до 2000 нанометров могут обеспечить еще лучшие результаты, поскольку ткани тела более прозрачны для этого света. “Мы знали, что этот режим визуализации будет лучше”, чем существующие методы,-объясняет Брунс, — “но нам не хватало высококачественных излучателей”, то есть светоизлучающих материалов, которые могли бы производить эти точные длины волн.
Светоизлучающие частицы были специальностью Бавенди, профессора химии Лестера Вольфа, чья лаборатория на протяжении многих лет разрабатывала новые способы создания квантовых точек. Эти нанокристаллы, изготовленные из полупроводниковых материалов, излучают свет, частоту которого можно точно настроить, контролируя точный размер и состав частиц.
Ключом было разработать версии этих квантовых точек, излучение которых соответствовало желаемым коротковолновым инфракрасным частотам и было достаточно ярким, чтобы затем его можно было легко обнаружить через окружающую кожу и мышечные ткани. Команде удалось создать частицы, которые “на порядки лучше, чем предыдущие материалы, и которые обеспечивают беспрецедентную детализацию в биологической визуализации”, - говорит Брунс. Синтез этих новых частиц был первоначально описан в статье аспиранта Даниэля Франке и других ученых из группы Бавенди в журнале Nature Communications в прошлом году.
По его словам, квантовые точки, созданные командой, настолько яркие, что их излучение можно улавливать с очень коротким временем экспозиции. Это позволяет создавать не только отдельные изображения, но и видео, которое фиксирует детали движения, такие как поток крови, что позволяет различать вены и артерии.
Новые светоизлучающие частицы также являются первыми, которые достаточно яркие, чтобы позволить визуализировать внутренние органы у мышей, которые бодрствуют и двигаются, в отличие от предыдущих методов, которые требовали их анестезии, говорит Брунс. Первоначальные применения были бы для доклинических исследований на животных, поскольку соединения содержат некоторые материалы, которые вряд ли будут одобрены для использования на людях. Исследователи также работают над разработкой версий, которые были бы безопаснее для людей.
Метод также основан на использовании недавно разработанной камеры, которая обладает высокой чувствительностью к этому конкретному диапазону коротковолнового инфракрасного света. Камера является коммерчески разработанным продуктом, говорит Брунс, но его команда была первым заказчиком специализированного детектора камеры, изготовленного из арсенида индия-галлия. Хотя эта камера была разработана для исследовательских целей, эти частоты инфракрасного света также используются как способ видеть сквозь туман или дым.
Брунс говорит, что новый метод не только может определять направление кровотока, но и достаточно детализирован, чтобы отслеживать отдельные клетки крови в этом потоке. “Мы можем отслеживать поток в каждом капилляре на сверхвысокой скорости", - говорит он. “Мы можем получить количественную оценку расхода, и мы можем проводить такие измерения расхода с очень высоким разрешением на больших площадях”.
Такая визуализация потенциально может быть использована, например, для изучения того, как изменяется структура кровотока в опухоли по мере ее развития, что может привести к новым способам мониторинга прогрессирования заболевания или реакции на медикаментозное лечение. “Это может дать хорошее представление о том, как работают методы лечения, которые раньше были невозможны”, - говорит он.
“Это захватывающая и потенциально революционная разработка для визуализации мелких животных”, - говорит Гильермо Тирни, профессор патологии Гарвардской медицинской школы, который не принимал участия в этой работе. “Используя зонды, настроенные на длины волн, расположенные дальше в коротковолновом ближнем инфракрасном диапазоне, исследователи преодолевают рассеяние, которое является основным явлением”,-говорит он, ограничивая такую микроскопию in vivo.
“При этом более простые и менее инвазивные методы опроса могут быть использованы для понимания структуры и функций в моделях животных как на органном, так и на клеточном уровне”, - говорит Тирни. “Я ожидаю, что эти зонды окажут значительное влияние на область прижизненных [проведенных с живыми субъектами] изображений и биологических исследований".
В состав команды вошли сотрудники кафедр химии, химической инженерии, биологической инженерии и машиностроения Массачусетского технологического института, а также из Гарвардской медицинской школы, Гарвардской школы общественного здравоохранения им.Т. Х. Чана, Raytheon Vision Systems и Университетского медицинского центра в Гамбурге, Германия. Работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения, Национальным институтом рака, Национальным фондом исследований рака, Институтом исследований рака поджелудочной железы Уоршоу, Исполнительным комитетом по исследованиям Массачусетской больницы общего профиля, Исследовательским управлением армии через Институт солдатских нанотехнологий при Массачусетском технологическом институте, Министерством обороны США и Национальным научным фондом.
ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
- Статья: “Оптическое изображение in vivo следующего поколения с коротковолновыми инфракрасными квантовыми точками”.
- Мунги Бавенди
- Группа Бавенди
- Кафедра химии
- Кафедра химической инженерии
- Кафедра материаловедения и инженерии
- Кафедра биологической инженерии
- Кафедра машиностроения
- Научная школа
- Инженерная школа
СВЯЗАННЫЕ ТЕМЫ
- Исследования
- Квантовые точки
- Химия
- Материаловедение и инженерия
- DMSE
- Химическая технология
- Биологическая инженерия
- Машиностроение
- Нанонаука и нанотехнологии
- Научная школа
- Инженерная школа
- Национальные институты здравоохранения (NIH)
- Национальный научный фонд (NSF)