Lichtemittierende Nanopartikel könnten einen sichereren Weg zur Abbildung lebender Zellen bieten

Anonim

Ein Forscherteam hat gezeigt, wie lichtemittierende Nanopartikel, die am Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums (Berkeley Lab) entwickelt wurden, tief in lebendes Gewebe eindringen können.

Die speziell entwickelten Nanopartikel können durch ultraviolettes Laserlicht im nahen Infrarotbereich angeregt werden, das für den menschlichen Körper als sicher gilt. Sie absorbieren dieses Licht und emittieren dann sichtbares Licht, das mit Standard-Bildverarbeitungsgeräten gemessen werden kann.

Die Entwicklung und biologische Bildgebung dieser Nanopartikel ist in einer Studie, die am 6. August in Nature Communications veröffentlicht wurde, ausführlich beschrieben.

Die Forscher hoffen, diese sogenannten legierten upconverting nanoparticles (aUCNPs) so weiterzuentwickeln, dass sie sich an bestimmte Bestandteile von Zellen anlagern können, um in einem fortschrittlichen Bildgebungssystem zu dienen, um beispielsweise sogar einzelne Krebszellen zu beleuchten. Ein solches System kann letztlich hochpräzise Operationen und Strahlentherapien steuern und dazu beitragen, selbst kleinste Krebsspuren zu entfernen.

"Mit einem Laser, der noch schwächer ist als ein standardmäßiger grüner Laserpointer, können wir tief in das Gewebe eindringen", sagte Bruce Cohen, der in einem Forscherteam an der Molecular Foundry von Berkeley Lab arbeitet und mit UC San Francisco-Forschern zusammenarbeitet medizinische Anwendungen. The Molecular Foundry ist eine DOE Office of Science-Nutzereinrichtung, die sich auf die Erforschung von Nanowissenschaften spezialisiert hat - sie ist für Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt und der ganzen Welt zugänglich.

Cohen wies darauf hin, dass bei einigen bestehenden Bildgebungssystemen Laserlicht mit höherer Leistung verwendet wird, bei dem die Gefahr besteht, dass Zellen beschädigt werden.

"Die Herausforderung ist: Wie stellen wir lebende Systeme mit hoher Empfindlichkeit dar, ohne sie zu schädigen? Diese Kombination aus niederenergetischem Licht und geringer Laserleistung ist das, worauf alle auf dem Gebiet seit einiger Zeit hinarbeiten", sagte er. Die Laserleistung, die für die aUCNPs benötigt wird, ist millionenfach geringer als die für konventionelle Nahinfrarot-Imaging-Sonden benötigte Energie.

In dieser neuesten Studie haben Forscher gezeigt, wie die aUCNPs in lebendem Mausgewebe in mehreren Millimetern Tiefe abgebildet werden können. Sie waren begeistert von Lasern, die schwach genug waren, um keinen Schaden anzurichten.

Die Forscher injizierten Nanopartikel in die Brustfettpolster von Mäusen und zeichneten Bilder des von den Partikeln emittierten Lichts auf, die für die Zellen keine Toxizität zu sein schienen.

Weitere Tests sind erforderlich, um zu wissen, ob die im Berkeley Lab hergestellten aucNPs sicher in Menschen injiziert werden können und um Beschichtungen zu testen, die Berkeley Lab-Wissenschaftler entwickeln, um spezifisch an Krebszellen zu binden.

Dr. Mekhail Anwar, ein Radioonkologe und Assistenzprofessor an der UC San Francisco, der an der jüngsten Studie teilnahm, stellte fest, dass es zahlreiche medizinische Scanning-Techniken zur Lokalisierung von Krebs gibt - von Mammogrammen bis hin zu MRTs und PET-CT-Scans präzise Details in sehr kleinen Maßstäben.

"Wir müssen wirklich genau wissen, wo jede Krebszelle ist", sagte Anwar, ein Foundry-Anwender, der in seiner Forschung mit Wissenschaftlern von Molecular Foundry zusammenarbeitet. "Normalerweise sagen wir, du hast Glück, wenn wir es früh fangen und der Krebs nur etwa einen Zentimeter groß ist - das sind etwa 1 Milliarde Zellen. Aber wo verstecken sich die kleineren Zellgruppen?"

Zukünftige Arbeiten an der Molecular Foundry werden hoffentlich zu verbesserten Techniken für die Bildgebung von Krebs mit Hilfe der aUCNPs führen, und Forscher entwickeln einen bildgebenden Sensor zur Integration mit Nanopartikeln, die an chirurgischen Geräten und sogar chirurgischen Handschuhen angebracht werden könnten, um Krebs-Hotspots zu lokalisieren chirurgische Maßnahmen.

Ein Durchbruch in der UCNP-Entwicklung des Labors bestehe darin, Wege zu finden, ihre Effizienz bei der Emission von absorbiertem Licht bei höheren Energien zu erhöhen, sagte Emory Chan, ein Mitarbeiter der Molecular Foundry, der auch an der neuesten Studie teilnahm.

Jahrzehntelang war die Forschung der Meinung, dass der beste Weg, um diese sogenannten Upconverting-Materialien zu produzieren, darin bestand, sie zu implantieren oder mit einer geringen Konzentration von Metallen, den so genannten Lanthaniden, zu "dotieren". Zu viele dieser Metalle würden, so die Forscher, dazu führen, dass das von ihnen emittierte Licht mit mehr dieser zusätzlichen Metalle weniger hell wird.

Aber Experimente, die von den Foundry-Forschern Bining "Bella" Tian und Angel Fernandez-Bravo geführt wurden, die Lanthanoid-reiche UCNPs herstellten und ihre Eigenschaften maßen, brachten dieses vorherrschende Verständnis auf den Kopf.

Untersuchungen an einzelnen UCNPs erwiesen sich als besonders wertvoll, da Erbium, ein Lanthanoid, von dem bisher angenommen wurde, dass es nur eine Rolle bei der Lichtemission spielt, auch direkt Licht absorbieren und ein weiteres Lanthanid, Ytterbium, freisetzen kann, um mehr Licht zu absorbieren. Emory Chan, ein Mitarbeiter der Molecular Foundry, der auch an der neuesten Studie teilnahm, beschrieb die neu entdeckte Multitasking-Rolle von Erbium in den UCNP als "dreifache Bedrohung".

Die UCNPs, die in der jüngsten Studie verwendet wurden, messen etwa 12-15 Nanometer (Milliardstel Meter) über Kreuz - klein genug, um sie in Gewebe einzudringen. "Ihre Schalen sind wie eine Zwiebel gewachsen, eine Schicht nach der anderen", sagte Chan.

Jim Schuck, Studienteilnehmer und ehemaliger Berkeley-Lab-Wissenschaftler an der Columbia University, stellte fest, dass die neueste Studie auf einer jahrzehntelangen Arbeit bei der Molecular Foundry aufbaut, um neue Anwendungen für UCNPs zu verstehen, neu zu gestalten und zu finden.

"Dieses neue Paradigma im UCNP-Design, das zu viel helleren Partikeln führt, ist ein echter Wendepunkt für alle UCNP-Bildgebungsanwendungen", sagte er.

Forscher der Molecular Foundry werden daran arbeiten, die Herstellung der Nanopartikel mit Robotern zu automatisieren und sie mit Markern zu beschichten, die selektiv an Krebszellen binden.

Cohen sagte, dass die Zusammenarbeit mit UCSF neue Wege der Exploration für UCNP eröffnet hat, und er erwartet, dass die Forschungsanstrengungen wachsen werden.

"Wir hätten nie gedacht, diese für die Bildgebung während Operationen zu verwenden", sagte er. "Die Zusammenarbeit mit Forschern wie Mekhail eröffnet diese wundervolle gegenseitige Befruchtung verschiedener Bereiche und unterschiedlicher Ideen."

Anwar sagte: "Wir sind wirklich dankbar, dass wir Zugang zu dem Wissen und der breiten Instrumentierung haben" in der Molecular Foundry des Labors.

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