Fluorescensavbildning används ofta för att visualisera biologiska vävnader såsom baksidan av ögat, där tecken på makuladegeneration kan upptäckas. Det används också ofta för att avbilda blodkärl under rekonstruktiv kirurgi, så att kirurger kan se till att kärlen är ordentligt anslutna.

För dessa procedurer, såväl som andra som nu befinner sig i kliniska prövningar, såsom avbildning av tumörer, forskare använder en del av ljusspektrumet som kallas nära-infraröd (NIR) - 700 till 900 nanometer, precis bortom vad det mänskliga ögat kan upptäcka. Ett färgämne som fluorescerar vid denna våglängd administreras till kroppen eller vävnaden och avbildas sedan med en specialiserad kamera. Forskare har visat att ljus med våglängder större än 1, 000 nanometer, känd som kortvågig infraröd (SWIR), ger mycket tydligare bilder än NIR, men det finns inga FDA-godkända fluorescensfärgämnen med maximal emission i SWIR-området.

Ett team av forskare vid MIT och Massachusetts General Hospital har nu tagit ett stort steg mot att göra SWIR-avbildning allmänt tillgänglig. De har visat att en FDA-godkänd, kommersiellt tillgängligt färgämne som nu används för nära-infraröd avbildning fungerar också mycket bra för kortvågig infraröd avbildning.

"Vad vi hittade är att detta färgämne, som har godkänts sedan 1959, är verkligen bäst, den ljusaste fluoroforen som vi känner till vid denna tidpunkt för avbildning i kortvågsinfraröd, " säger Moungi Bawendi, Lester Wolf professor i kemi vid MIT. "Nu kan läkare börja prova kortvågsavbildning för sina applikationer eftersom de redan har en fluorofor som är godkänd för användning på människor."

Genom att avbilda detta färgämne med en kamera som upptäcker kortvågigt infrarött ljus kan läkare och forskare få mycket bättre bilder av blodkärl och andra kroppsvävnader för diagnos och forskning.

Bawendi och tidigare MIT-forskaren Oliver Bruns är seniorförfattarna till studien, som visas i Proceedings of the National Academy of Sciences . Tidningens huvudförfattare är MIT-studenterna Jessica Carr och Daniel Franke.

Skär genom dimman

Färgämnet som forskarna använde i denna studie, känd som indocyaningrönt (ICG), fluorescerar starkast runt 800 nanometer, som faller inom det nära-infraröda området. När det injiceras i kroppen, det går genom blodomloppet, vilket gör den idealisk för angiografi (visualisering av blod som strömmar genom kärl). Vissa robotassisterade kirurgiska system har inkorporerat NIR-fluorescensavbildning för att hjälpa till att visualisera blodkärl och andra anatomiska egenskaper.

MIT-teamet upptäckte ICG:s användbarhet för SWIR-avbildning något överraskande. Som en del av ett kontrollexperiment för ett annat papper, de testade fluorescenseffekten av kvantprickar mot fluorescensutgången från ICG i kortvågsinfraröd. De förväntade sig att ICG inte skulle ha någon effekt, men blev förvånade när de upptäckte att det faktiskt gav en mycket stark signal.

Bawendis labb och andra forskare har varit intresserade av att utveckla fluoroforer för SWIR-avbildning eftersom SWIR erbjuder bättre kontrast och klarhet än NIR. Ljus med kortare våglängder tenderar att spridas av ofullkomligheter i föremål som det träffar, men när våglängderna blir längre, spridningen minskar kraftigt.

"I det nära infraröda, många av funktionerna du ser i vävnad kan se dimmiga ut, och när du väl går in i det kortvågiga infraröda, bilden klarnar upp och allt blir skarpt, säger Bruns.

Kortvågig infraröd kan också tränga djupare in i vävnad, även om det är en komplicerad process att beräkna exakt hur långt, forskarna säger, eftersom det beror på storleken på strukturen som betraktas och mikroskopets synfält. I den nya studien, forskarna kunde se flera hundra mikrometer in i vävnaden med ett vanligt fluorescensmikroskop. I vanliga fall, detta djup kan endast nås med tvåfotonmikroskopi, en mycket mer komplicerad och dyrare typ av bildbehandling.

"Vi fann att kortvågig infraröd är särskilt användbar för att avbilda små föremål som är ovanpå en stor bakgrund, så när du vill göra angiografi av små kärl, eller kapillärer, det är betydligt lättare i det kortvågiga infraröda än i det nära-infraröda, säger Franke.

En stark signal

I deras studie, forskarna undersökte ICG ytterligare och visade att det ger en starkare signal än andra SWIR-färgämnen som nu är under utveckling. Tidigare studier av ICG hade fokuserat på dess utsläpp runt 800 nanometer, där det fluorescerar som ljusast, så ingen hade observerat att färgämnet också producerade en stark signal vid längre våglängder. Även om den inte fluorescerar effektivt i det kortvågiga infraröda området, ICG absorberar så mycket ljus att om ens en liten andel avges som fluorescerande ljus, signalen är ljusare än den som produceras av andra SWIR-färgämnen.

Forskarna fann också att ICG är tillräckligt ljust för att snabbt kunna producera bilder, vilket är viktigt för att fånga rörelse.

"Om du inte har en tillräckligt stark signal, det saktar ner hur lång tid det tar att ta bilden, så du kan inte använda den för att avbilda rörelser som blodflöde eller hjärtslag, " säger Carr.

Forskarna testade också ett annat färgämne som fungerar i det nära-infraröda. Detta färgämne, kallas IRDye 800CW, liknar ICG och kan fästas till antikroppar som riktar sig mot proteiner som de som finns på tumörer. De fann att IRDye 800CW också fluorescerar starkt i det kortvågiga infraröda ljuset, tänkte inte lika ljust som ICG, och visade att de kunde använda den för att avbilda en cancertumör i hjärnan på möss.

För att göra kortvågs-infraröd avbildning, forskningslabb och sjukhus skulle behöva byta från de kiselkameror som nu används för NIR-avbildning till en indium galliumarsenid (InGaAs) kamera. Tills nyligen, dessa kameror har varit oöverkomligt dyra, men priserna har sjunkit de senaste åren.

Forskargruppen undersöker nu ytterligare varför ICG fungerar så bra för kortvågs-infraröd avbildning, och försöker identifiera den optimala våglängden för dess användning, som de hoppas ska hjälpa dem att avgöra de bästa tillämpningarna för denna typ av bildbehandling. De arbetar också med andra laboratorier för att utveckla färgämnen som liknar ICG och som kan fungera ännu bättre.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.