Nya forskningsrön tyder på att en experimentell ultrakänslig medicinsk avbildningsteknik som använder en pulsad laser och små metalliska "nanocages" kan möjliggöra både tidig upptäckt och behandling av sjukdom.

Systemet fungerar genom att lysa nära-infraröda laserpulser genom huden för att upptäcka ihåliga nanocages och fasta nanopartiklar - gjorda av en legering av guld och silver - som injiceras i blodomloppet.

Till skillnad från tidigare tillvägagångssätt med små metalliska nanorods och nanosfärer, den nya tekniken orsakar inte värmeskador på vävnad som avbildas. En annan fördel är att den inte producerar ett "autofluorescerande" bakgrundssken av omgivande vävnader, som stör bilden och minskar kontrast och ljusstyrka, sa Ji-Xin Cheng (uttalas Gee-Shin), en docent i biomedicinsk teknik och kemi vid Purdue University.

"Denna brist på bakgrundsfluorescens gör bilderna mycket tydligare och är mycket viktig för sjukdomsdetektering, ", sade han. "Det tillåter oss att tydligt identifiera nanocages och vävnaderna."

Den förbättrade prestandan kan möjliggöra tidig upptäckt och behandling av cancer. De små guld-silverburarna kan också användas för att leverera tidsfrisatta cancerläkemedel till sjuk vävnad, sa Younan Xia, James M. McKelvey professor för avancerade material vid institutionen för biomedicinsk teknik vid Washington University i St. Louis. Hans team tillverkade nanocages och nanopartiklar som användes i forskningen.

Guld-silverstrukturerna gav bilder 10 gånger ljusare än annan experimentell bildforskning med guldnanosfärer och nanorods. Bildtekniken ger ljusstyrka och kontrast potentiellt hundratals gånger bättre än konventionella fluorescerande färgämnen som används för ett brett utbud av biologisk avbildning för att studera cellers och molekylers inre funktion.

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som publicerades online den 6 april i tidskriften Angewandte Chemie s internationella upplaga. Uppsatsen skrevs av Purdue kemi doktorand Ling Tong, Washington University doktorand Claire M. Cobley och forskningsassistent Jingyi Chen, Xia och Cheng.

Den nya avbildningsmetoden använder ett fenomen som kallas "tre-fotonluminescens, " som ger högre kontrast och ljusare bilder än konventionella fluorescensavbildningsmetoder. Normalt, tre-foton luminescens är för svag för att användas för avbildning. Dock, närvaron av guld- och silvernanopartiklar ökar ljusstyrkan, övervinna detta hinder. Den ultrasnabba lasern tros också möjligen spela en roll genom att orsaka "tredje harmonisk generation, " vilket ökar ljusstyrkan.

Tidigare forskning för att utveckla avbildningssystemet har krävt användningen av "plasmoner, " eller moln av elektroner som rör sig unisont, för att förbättra ljusstyrkan och kontrasten. Dock, användning av plasmoner genererar vävnadsskadande värme. Den nya tekniken använder inte plasmonförstärkning, eliminera denna uppvärmning, sa Cheng.

Tre-fotoneffekten kan göra det möjligt för forskare att utveckla avancerade "icke-linjära optiska tekniker" som ger bättre kontrast än konventionell teknik.

"Möjligheten för avbildning med tre foton kommer potentiellt att tillåta oss att kombinera bildbehandling och terapi för bättre diagnos och övervakning, sa Xia.

Forskare använde en laser i det nära-infraröda området av spektrumet som pulserade med femtosekunders hastighet, eller kvadrilliondelar av en sekund. Lasern pulserar 80 miljoner gånger per sekund för att belysa vävnader och organ efter att nanocages har injicerats, sa Cheng.

Burarna och partiklarna är cirka 40 nanometer breda, eller ungefär 100 gånger mindre än en röd blodkropp.

Forskarna injicerade intravenöst nanocages i möss och tog sedan bilder av de små strukturerna i vävnadsprover från organ som lever och mjälte.