Forskare som använder ett unikt tillvägagångssätt har utvecklat ett nytt biomedicinsk bildkontrastmedel. De säger att genombrottet övervinner en stor utmaning att "se" djupare in i levande vävnad, och öppnar vägen för betydande förbättringar inom optisk bildteknik.

Utvecklingen, ett resultat av internationellt samarbete mellan Fudan University i Kina och University of Technology Sydney (UTS), har potential att ta bio-bildupplösning utöver vad som för närvarande är möjligt med CT- och PET-bildteknik. Forskningen publiceras i Nature Photonics .

Professor Dayong Jin, en senior författare på studien och direktör för UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), sade "detta resultat är ett bra exempel som visar hur vi omvandlar framsteg inom fotonik och materialvetenskap till revolutionerande bioteknik vid IBMD".

Optiska kontrastmedel används främst för att förbättra visualisering och differentiering i vävnad och blodkärl i både kliniska och forskningsinställningar.

För att optimera ljusstyrkan för ett kontrastmedel, och för att effektivt belysa enskilda celler och biomolekyler, utmaningen ligger i att övervinna en begränsning i fysik, kallas "koncentrationsläckning". Detta orsakas av korsavslappning av energi mellan sändare när de är för nära varandra, så att alltför många sändare leder till en släckning av den totala ljusstyrkan.

"Det nya tillvägagångssättet i denna forskning var att låsa upp koncentrationssläckningseffekten genom att använda det rena sällsynta jordartselementet ytterbium som bara har ett enda upphetsat tillstånd för att undvika korsrelaxering mellan system", förklarade av professor Jin, "så att ett nätverk på över 5, 000 rena ytterbiumsändare kan tätt kondenseras inom ett utrymme på 10 nm i diameter, tusen gånger mindre än en cell ".

Vid denna emitterdensitet upptas alla möjliga atomdopningsställen av ytterbium i kristallgitterstrukturen, och väl passiverad (gjord oreaktiv), med ett tunt lager av biokompatibel kalciumfluorid, materialet är fritt från koncentrationssläckning.

"Detta gör att fotonikkonverteringens effektivitet kan närma sig den teoretiska gränsen på 100%. Detta riktar inte bara en ny rekord inom fotonik och materialvetenskap, men öppnar också upp många potentiella applikationer ", Professor Jin sa.

Huvudförfattare på tidningen, Herr Yuyang Gu, en doktorsexamen student vid Fudan University, sa "att använda detta nya kontrastmedel i en musmodell gjorde att vi kunde se igenom hela möss".

Den grundläggande fysiken för de fluorescerande sonderna som används vid optisk avbildning innebär att det endast finns ett snävt definierat nära infrarött (NIR) "fönster" [optiskt transparensfönster] utanför vilket synligt ljus inte kan tränga in i vävnad. Att designa ett kontrastmedel som både absorberar och avger i NIR utan att tappa energin är svårt.

"Även om ytterbium har en" ren energi "-nivå som hjälper till att skydda fotoner som absorberas i NIR -bandet innan de sänds ut, med försumbar energiförlust, det enkla upphetsade tillståndet tillåter bara utsläpp i det mycket liknande bandet NIR, vilket gör det opraktiskt att använda de konventionella färgfiltren för att diskriminera utsläppen från laserns excitationsmiljö med hög spridning ", Professor Jin sa.

"Forskningen behövde" ny fysik ". Vi var verkligen tvungna att tänka utanför boxen."

Istället för att "filtrera" signalemissionerna spektralt, forskarna använde vidare en tidsupplöst teknik som pausade excitationsljuset, och utnyttjade egenskapen "fotonlagring" hos ytterbiumemitterare, sakta ner ljusutsläpp, tillräckligt länge för att möjliggöra en tydligare separation mellan excitation och emission av ljus i tidsområdet. Professor Jin liknar detta fenomen med scenariot när, efter att ha stängt av en TV, den långlivade fluorescensen av en "spök" -bild ses som en efterglöd i mörkret.

Under de senaste fem åren har Professor Jin och hans team har utvecklat ett bibliotek med Super Dots, ? -Punkter, Hyper Dots och Thermal Dots som multiphotonlysande sonder för avkänning och avbildningstillämpningar.

"Detta resultat är ytterligare ett kvantsprång, ger oss en ny uppsättning forskningskapaciteter mot utveckling av mer effektiva och funktionella nanoskala sensorer och biomolekylära sonder ”tillade professor Jin.

Fudan University Chief Investigator, Professor Fuyou Li sa "Detta är en" ny "självlysande process med hög effektivitet. Vi hoppas kunna hitta mer lämpliga applikationer baserade på finjustering av sönderfallsprocessen för sådana typer av sonder."

Den kombinerade användningen av ytterbiumsändare med hög densitet och tidsupplöst tillvägagångssätt innebar att det var möjligt att maximera antalet utsläpp, ljusomvandlingseffektiviteten och kontrastmedlets totala ljusstyrka, och därigenom avsevärt förbättra detekteringskänsligheten, upplösning och djup.

Professor Jin sa att det var ett annat exempel på hur genombrott i fysik kan leda till utveckling av nya och förbättrade medicinska tekniker som hänvisar till utvecklingen, och revolution, i diagnostiska metoder som röntgenstrålar, CT- och PET -avbildning.