Valoa säteilevät nanopartikkelit voisivat tarjota turvallisemman tavan kuvata eläviä soluja

Moderni fysiikka - sähkömagneettinen säteily teht.3 - valon nopeus vedessä (Huhtikuu 2019).

Anonim

Tutkimusryhmä on osoittanut, kuinka US-energiaministeri Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa (Berkeley Lab) kehitettyjä valoa säteileviä nanopartikkeleita voidaan käyttää syvällä elävässä kudoksessa.

Erityisesti suunniteltuja nanopartikkeleita voi innoissaan ultralow-power laser-valo lähellä infrapunaa aallonpituuksilla, joita pidetään turvallisina ihmiskehoon. Ne absorboivat tämän valon ja lähettävät sitten näkyvän valon, joka voidaan mitata tavallisilla kuvantamislaitteilla.

Näiden nanohiukkasten kehittämis- ja biologisen kuvantamisen sovellus on yksityiskohtaisesti julkaistu 6. elokuuta julkaistussa tutkimuksessa Nature Communicationsissa.

Tutkijat toivovat kehittävänsä näitä niin sanottuja seostettuja ylöskonvertoituvia nanopartikkeleita tai aUCNP: itä, jotta ne voivat kiinnittyä solujen tiettyihin komponentteihin palvelemaan edistyksellisessä kuvantamisjärjestelmässä sytyttämään jopa yksittäisiä syöpäsoluja. Tällainen järjestelmä voi viime kädessä ohjata tarkkoja leikkauksia ja sädehoitoja ja auttaa poistamaan jopa hyvin pieniä syöpäleikkauksia.

"Kun laser on vieläkin heikompi kuin tavallisen vihreän laserosoitin, voimme kuvata syvälle kudoksiin", sanoo Bruce Cohen, joka on osa Berkeley Labin molekyylivalimon tiedeyhteisöä, joka työskentelee UC San Franciscon tutkijoiden kanssa sopeuttaa nanohiukkaset lääketieteellisiin tarkoituksiin. Molekulaarinen valimo on nanoteknologian tutkimukseen erikoistunut DOE Office of Science User Facility, joka on saatavilla vierailevien tutkijoiden kautta ympäri maata ja maailmaa.

Cohen huomautti, että joissakin olemassa olevissa kuvankäsittelyjärjestelmissä käytetään korkeamman tehon laservaloa, joka vahingoittaa soluja.

"Haasteena on: Kuinka kuvaamme elävät järjestelmät suurella herkkyydellä vahingoittamatta niitä? Tämä yhdistelmä vähän energiaa käyttävistä valoista ja matalan laservoimakkuuksista on mitä kaikilla alalla on työskennellyt jonkin aikaa", hän sanoi. AUCNP: ille tarvittava laserteho on miljoonia pienempi kuin tavanomaisten lähellä infrapunakuvauskoettimien tarvitsema teho.

Tässä viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat ovat osoittaneet, kuinka aUCNP: itä voidaan kuvata elävässä hiiren kudoksessa useiden millimetrin syvyydessä. He olivat innoissaan lasereiden ollessa heikkoja eivätkä aiheuttaneet vaurioita.

Tutkijat injektoivat nanohiukkasia hiiren rintarauhashormoon ja tallensivat kuvia hiukkasista, jotka eivät näyttäneet aiheuttavan mitään toksisuutta soluille.

Lisää testejä tarvitaan tiedustelemaan, voidaanko Berkeley Lab -laboratorioon tuotettuja aUCNP-yhdisteitä injektoida turvallisesti ihmisiin ja testata pinnoitteita. Berkeley Labin tutkijat suunnittelevat sitoutumista eritykseen syöpäsoluihin.

Viimeisimmässä tutkimuksessa osallistuva UC San Francen säteilyn onkologi ja apulaisprofessori Dr. Mekhail Anwar totesi, että syöpätapahtumien löytämiseksi on olemassa lukuisia lääketieteellisiä skannaustekniikoita - mammografeista MRI- ja PET-CT-skannauksiin - mutta nämä tekniikat voivat puuttua tarkkoja yksityiskohtia hyvin pienillä vaa'illa.

"Meidän on todella tiedettävä tarkalleen missä jokainen syöpäsolu on", sanoo Anwar, Foundry-käyttäjä, joka toimii yhteistyössä Molecular Foundryn tutkijoiden kanssa. "Yleensä sanomme, että olette onnekkaita, kun saamme sen varhaisessa vaiheessa ja syöpä on vain noin senttimetriä - se on noin 1 miljardi solua. Mutta mistä pienemmät soluryhmät piilevät?"

Molecular Foundryn tuleva työ toivottavasti johtaa parannettuihin tekniikoihin syövän kuvaamiseksi käyttämällä aUCNP: itä, ja tutkijat kehittävät kuvantamisanturia integroitumaan nanohiukkasten kanssa, jotka voitaisiin liittää kirurgisiin laitteisiin ja jopa kirurgisiin käsineisiin syövän kohdepisteiden havaitsemiseksi kirurgiset toimenpiteet.

UCNP: n Lab-kehityksen läpimurto oli löytää keinoja tehostaa niiden tehoa emittoivassa absorboituneessa valossa suurempien energialähteiden osalta, sanoi Emory Chan, molekyylivalimoon kuuluva tutkija, joka osallistui myös viimeisimpään tutkimukseen.

Tutkimusyhteisö oli vuosikymmeniä pitänyt sitä mieltä, että paras tapa tuottaa näitä ns. Ylösmuuntovälineitä oli implantoida niitä tai "tappaa" ne alhaisella metallipitoisuudella, joka tunnetaan nimellä lantanidit. Liian monet näistä metalleista, kuten tutkijat olivat uskoneet, aiheuttaisivat valon, jonka he luovuttivat, vähemmän kirkkaaksi useilla näistä lisättyistä metalleista.

Molekulaarisen valimon tutkijat, Bining "Bella" Tian ja Angel Fernandez-Bravo, jotka tekivät lanthanidirikkaita UCNP: itä ja mitattivat niiden ominaisuudet, viittasivat tähän vallitsevaan ymmärrykseen.

Yksittäisten UCNP: iden tutkimukset osoittautuivat erityisen arvokkaiksi osoittaakseen, että erbium, lantanidi, jolla aiemmin ajateltiin olevan vain rooli valonlähteessä, voi myös absorboida suoraan valoa ja vapauttaa toisen lantanidin, ytterbiumin, lisäämään valoa. Emory Chan, tutkija Molecular Foundrystä, joka osallistui myös viimeisimpiin tutkimuksiin, kuvaili erbiumin äskettäin löydettyä monitieteistä roolia UCNP-ryhmissä "kolminkertaisena uhkana".

Viimeisimmässä tutkimuksessa käytetyt UCNP: t mittaavat noin 12-15 nanometriä (miljardit metriä) tarpeeksi pieniä, jotta ne pääsevät kudoksiin. "Niiden kuoret kasvatetaan kuin sipuli, kerros kerrallaan", Chan sanoi.

Jim Schuck, tutkijaosapuoli ja entinen Berkeley Lab -tieteilijä nyt Columbia-yliopistossa, totesivat, että viimeisin tutkimus perustuu vuosikymmenen mittaiseen työhön Molecular Foundryssä ymmärtää, uudistaa ja löytää uCNP-sovelluksia.

"UCNP: n uusi paradigma, joka johtaa paljon kirkkaampiin partikkeleihin, on todellinen pelimuutos kaikille yksittäisille UCNP-kuvankäsittelyohjelmille", hän sanoi.

Tutkijat Molecular Foundryssä pyrkivät automatisoimaan nanohiukkasten valmistamisen robotteilla ja päällystämään niitä markkereilla, jotka selektiivisesti sitoutuvat syöpäsoluihin.

Cohen sanoi, että UCSF: n kanssa tehtävä yhteistyö on avannut UCNP: n uusia etsintätapoja, ja hän odottaa tutkimustyön kasvavan.

"Emme koskaan olisi ajatelleet näiden käyttämistä kuvantamisessa leikkausten aikana", hän sanoi. "Työskentely Mekhailin kaltaisten tutkijoiden kanssa avaa tämän ihmeellisen ristipölytyksen eri alojen ja erilaisten ideoiden avulla."

Anwar sanoi, "Olemme todella kiitollisia pääsemästä tietoon ja laajaan instrumentointiin" Lab: n molekyylivalimossa.

menu
menu