Международная исследовательская группа создала уникальные фотолюминесцентные наночастицы, которые четко просвечивают через более чем 3 сантиметра биологической ткани - глубина, которая делает их многообещающим инструментом для оптического биовизуализации глубоких тканей.
Хотя оптическая визуализация является надежным и недорогим методом, обычно используемым в биомедицинских приложениях, современные технологии не позволяют заглянуть глубоко в ткань, говорят исследователи.
Это создает потребность в разработке новых подходов, обеспечивающих высококонтрастную оптическую биовизуализацию с высоким разрешением, которую врачи и ученые могли бы использовать для выявления опухолей или других аномалий глубоко под кожей.
Вновь созданные наночастицы состоят из нанокристаллического ядра, содержащего тулий, натрий, иттербий и фтор, заключенного в квадратную оболочку из фторида кальция.
Частицы особенные по нескольким причинам. Во-первых, они поглощают и излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне, при этом излучаемый свет имеет гораздо более короткую длину волны, чем поглощаемый свет. Это отличается от того, как молекулы в биологических тканях поглощают и излучают свет, а это означает, что ученые могут использовать частицы для получения более глубокого и более контрастного изображения, чем традиционные методы, основанные на флуоресценции..
Во-вторых, материал для оболочки наночастиц - фторид кальция - это вещество, содержащееся в минералах костей и зубов. Это делает частицы совместимыми с биологией человека, снижая риск побочных эффектов. Также обнаружено, что оболочка значительно увеличивает эффективность фотолюминесценции.
Чтобы излучать свет, частицы используют процесс, называемый повышающим преобразованием из ближнего инфракрасного диапазона в ближний инфракрасный, или «NIR-to-NIR». В ходе этого процесса частицы поглощают пары фотонов и объединяют их в одиночные фотоны более высокой энергии, которые затем излучаются.
Одна из причин, по которой NIR-to-NIR идеально подходит для оптических изображений, заключается в том, что частицы поглощают и излучают свет в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, что помогает уменьшить фоновые помехи. Эта область спектра известна как «окно оптической прозрачности» для биологической ткани, так как биологическая ткань меньше всего поглощает и рассеивает свет в этом диапазоне.
Ученые протестировали частицы в экспериментах, которые включали визуализацию их введения мышам и визуализацию капсулы, полной частиц, через кусок свинины толщиной более 3 сантиметров. В каждом случае исследователи смогли получить яркие, высококонтрастные изображения частиц, просвечивающих сквозь ткани.
Результаты исследования появились онлайн 28 августа в журнале ACS Nano. В международном сотрудничестве приняли участие исследователи из Университета Буффало и других учреждений в США, Китае, Южной Корее и Швеции. Его соруководил Парас Н. Прасад, почетный профессор Университета штата Нью-Йорк и исполнительный директор Института лазеров, фотоники и биофотоники Университета Нью-Йорка (ILPB), и Ган Хан, доцент Медицинской школы Массачусетского университета.
«Мы ожидаем, что беспрецедентные свойства нанокристаллов ядро/оболочка, которые мы разработали, устранят многочисленные разногласия между исследованиями in vitro и in vivo и в конечном итоге приведут к новым открытиям в области биологии и медицины», - сказал Хан. выражая свое волнение по поводу результатов исследования.
Соавтор исследования Тимиш Ю. Охулчанский, заместитель директора ИЛПБ, считает, что глубина оптического изображения в 3 сантиметра является беспрецедентной для наночастиц, обеспечивающих такую высококонтрастную визуализацию.
«Медицинская визуализация - это развивающаяся область, и оптическая визуализация - важный метод в этой области», - сказал Огулчанский. «Разработка этой новой наноплатформы - настоящий шаг вперед в оптической биовизуализации более глубоких тканей».
Первыми авторами статьи были Гуаньин Чен, доцент-исследователь ILPB и научный сотрудник Харбинского технологического института Китая и Королевского технологического института Швеции, а также Цзе Шен из Медицинской школы Массачусетского университета. Другие учреждения, которые внесли свой вклад, включали Институт рака Розуэлл-Парк, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл и Корейский университет в Сеуле.
Следующим шагом в исследовании является изучение способов нацеливания наночастиц на раковые клетки и другие биологические мишени, которые можно визуализировать. Чен, Шен и Охулчанский выразили надежду, что наночастицы станут платформой для мультимодального биоимиджинга.