Ovanpå är fotoakustiska bilder tagna för guld nanorods (vänster), den nya UW-partikeln som har en magnetisk kärna och omgivande guldskal (mitten), och en enkel magnetisk nanopartikel (höger). Nedan visas samma bild efter bearbetning för att ta bort pixlar som inte vibrerar med magnetfältet. Mittblobben hålls kvar på grund av partiklarnas magnetiska kärna och är ljus på grund av partiklarnas guldskal. Kredit:Xiaohu Gao, University of Washington
Att upptäcka en enda cancercell som har brutit sig loss från en tumör och som färdas genom blodomloppet för att kolonisera ett nytt organ kan tyckas som att hitta en nål i en höstack. Men en ny bildteknik från University of Washington är ett första steg mot att göra detta möjligt.
UW-forskare har utvecklat en multifunktionell nanopartikel som eliminerar bakgrundsljudet, möjliggör en mer exakt form av medicinsk bildbehandling - i huvudsak radera höstacken, så nålen lyser igenom. En lyckad demonstration med fotoakustisk avbildning rapporterades idag (27 juli) i tidskriften Naturkommunikation .
Nanopartiklar är lovande kontrastmedel för ultrakänslig medicinsk bildbehandling. Men i alla tekniker som inte använder radioaktiva spårämnen, de omgivande vävnaderna tenderar att överväldiga svaga signaler, förhindrar forskare från att upptäcka bara en eller ett fåtal celler.
"Även om vävnaderna inte är lika effektiva för att generera en signal som kontrastmedlet, kvantiteten av vävnaden är mycket större än kvantiteten av kontrastmedlet och därför är bakgrundssignalen mycket hög, " sa huvudförfattaren Xiaohu Gao, en UW biträdande professor i bioteknik.
Den nyligen presenterade nanopartikeln löser detta problem genom att för första gången kombinera två egenskaper för att skapa en bild som skiljer sig från vad någon befintlig teknik kunde ha producerat.
Den nya partikeln kombinerar magnetiska egenskaper och fotoakustisk avbildning för att radera bakgrundsbruset. Forskare använde ett pulserande magnetfält för att skaka nanopartiklarna med sina magnetiska kärnor. Sedan tog de en fotoakustisk bild och använde bildbehandlingstekniker för att ta bort allt utom de vibrerande pixlarna.
Ett externt magnetfält attraherar nanopartiklarna av deras magnetiska kärnor. När fältet är avstängt, vävnaden slappnar av och partiklarna återgår till sina ursprungliga positioner. Kredit:Xiaohu Gao, University of Washington
Gao jämför den nya tekniken med "Tourist Remover" fotoredigeringsprogram som låter en fotograf radera andra människor genom att kombinera flera bilder av samma scen och bara behålla de delar av bilden som inte rör sig. "Vi använder en mycket liknande strategi, " sa Gao. "Istället för att behålla de stationära delarna, vi behåller bara den rörliga delen.
"Vi använder ett externt magnetfält för att skaka partiklarna, " förklarade han. "Då finns det bara en typ av partikel som kommer att skaka vid frekvensen av vårt magnetfält, som är vår egen partikel."
Experiment med syntetisk vävnad visade att tekniken nästan helt kan undertrycka en stark bakgrundssignal. Framtida arbete kommer att försöka duplicera resultaten i försöksdjur, sa Gao.
30 nanometerpartikeln består av en magnetisk kärna av järnoxid med ett tunt guldskal som omger, men inte vidrör mitten. Guldskalet används för att absorbera infrarött ljus, och kan också användas för optisk bildbehandling, leverera värmeterapi, eller att fästa en biomolekyl som skulle gripa tag i specifika celler.
Tidigare arbete av Gaos grupp kombinerade funktioner i en enda nanopartikel, något som är svårt på grund av den lilla storleken.
"I nanopartiklar, ett plus ett är ofta mindre än två, " Sa Gao. "Vårt tidigare arbete visade att ett plus ett kan vara lika med två. Detta dokument visar att ett plus ett är, till sist, mer än två."
30-nanometerpartikeln består av en magnetisk kärna och ett tunt guldskal, analogt med ett äggskal, som omger men inte rör mitten. Kredit:Xiaohu Gao, University of Washington
Den första biologiska avbildningen, på 1950-talet, användes för att identifiera anatomi inuti kroppen, upptäcka tumörer eller foster. Den andra generationen har använts för att övervaka funktion - fMRI, eller funktionell magnetisk resonanstomografi, till exempel, upptäcker syreanvändning i hjärnan för att producera en bild av hjärnans aktivitet. Nästa generations avbildning kommer att vara molekylär avbildning, sa medförfattaren Matthew O'Donnell, en UW professor i bioteknik och ingenjörsdekan.
Detta kommer att innebära att medicinska analyser och cellräkningar kan göras inuti kroppen. Med andra ord, istället för att ta en biopsi och inspektera vävnad under ett mikroskop, bildbehandling kan detektera specifika proteiner eller onormal aktivitet vid källan.
Men att få detta att hända innebär att förbättra konfidensgränserna för avbildningen.
"I dag, vi kan använda biomarkörer för att se var det finns en stor samling av sjuka celler, "O'Donnell sa. "Denna nya teknik kan få dig ner till en mycket exakt nivå, potentiellt av en enda cell."
Forskare testade metoden för fotoakustisk avbildning, en lågkostnadsmetod som nu utvecklas som är känslig för små variationer i vävnadernas egenskaper och kan penetrera flera centimeter i mjukvävnad. Det fungerar genom att använda en puls av laserljus för att värma en cell väldigt lite. Denna värme får cellen att vibrera och producera ultraljudsvågor som färdas genom vävnaden till kroppens yta. Den nya tekniken bör även gälla andra typer av bildbehandling, sa författarna.
