En förbättrad färgbild av fluorescens från enkelväggiga kolnanorör (höger) visar inre organ i en mus bredvid en referensillustration (vänster). I den fluorescerande bilden, på vänster sida av musen, bukspottkörteln (tunn grön remsa) är inklämd mellan en njure (gul) och mjälten (rosa). I referensbilden, njurarna är orangebruna, mjälten är pumpafärgad och bukspottkörteln är knappt synlig som en liten röd triangel mellan de två andra organen. Kredit:återges med tillstånd från Proceedings of the National Academy of Sciences USA
Att utveckla läkemedel för att bekämpa eller bota mänskliga sjukdomar innebär ofta en fas av testning med möss, så att kunna titta tydligt in i en levande muss inre har verkligt värde.
Men med de fluorescerande färgämnen som för närvarande används för att avbilda det inre av laboratoriemöss, utsikten blir så grumlig flera millimeter under huden att forskare kan ha större framgång med att spå framtiden från gnagarens inälvor än att extrahera användbar data.
Nu har Stanford-forskare utvecklat en förbättrad avbildningsmetod med fluorescerande kolnanorör som gör att de kan se centimeter djupt in i en mus med mycket mer klarhet än vad konventionella färgämnen ger. För en varelse stor som en mus, några centimeter gör stor skillnad.
"Vi har redan använt liknande kolnanorör för att leverera läkemedel för att behandla cancer i laboratorietester på möss, men du vill veta var din leverans tog vägen, eller hur?" sa Hongjie Dai, en professor i kemi. "Med de fluorescerande nanorören, vi kan göra läkemedelstillförsel och avbildning samtidigt – i realtid – för att utvärdera läkemedlets noggrannhet när det gäller att träffa sitt mål."
Forskare injicerar de enkelväggiga kolnanorören i en mus och kan se när rören levereras till inre organ av blodomloppet.
Nanorören fluorescerar starkt som svar på ljuset från en laser riktad mot musen, medan en kamera som är inställd på nanorörens nära infraröda våglängder registrerar bilderna.
Genom att fästa nanorören till ett läkemedel, forskare kan se hur läkemedlet utvecklas genom musens kropp.
Dai är en av författarna till en artikel som beskriver forskningen som publicerades online denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Nyckeln till nanorörens användbarhet är att de lyser i en annan del av det nära infraröda spektrumet än de flesta färgämnen.
Biologiska vävnader – oavsett om de är mus eller människor – fluorescerar naturligt vid våglängder under 900 nanometer, vilket är i samma intervall som de tillgängliga biokompatibla organiska fluorescerande färgämnena. Det resulterar i oönskad bakgrundsfluorescens, som förvirrar bilderna när färgämnen används. Men nanorören som används av Dais grupp fluorescerar vid våglängder mellan 1, 000 och 1, 400 nanometer. Vid dessa våglängder finns det knappt någon naturlig vävnadsfluorescens, så bakgrundsljudet är minimalt.
Användbarheten av nanorören förstärks ytterligare eftersom vävnad sprider mindre ljus i den längre våglängdsregionen av det nära-infraröda, minska bildsmettning när ljus rör sig eller färdas genom kroppen, en annan fördel jämfört med fluoroforer som emitterar under 900 nm.
"Nanorören fluorescerar naturligt, men de sänder ut i en mycket udda region, " Sa Dai. "Det finns inte många saker – levande eller inerta – som släpper ut i denna region, vilket är anledningen till att det inte har undersökts särskilt mycket för biologisk avbildning."
Genom att välja enkelväggiga kolnanorör (SWNTS) med olika kiralitetsdiametrar och andra egenskaper, Dai och hans team kan finjustera våglängden vid vilken nanorören fluorescerar.
Nanorören avbildas omedelbart efter injektion i blodomloppet hos möss.
Dai och doktoranderna Sarah Sherlock och Kevin Welsher, som också är medförfattare till PNAS papper, observerade de fluorescerande nanorören som passerade genom lungorna och njurarna inom några sekunder efter injektionen. Mjälten och levern lyste upp några sekunder senare.
Gruppen gjorde också en del "efterproduktion" på digitala videofilmer av de cirkulerande nanorören för att ytterligare förbättra bildkvaliteten med hjälp av en process som kallas "principal component analysis."
"I den råa avbildningen, mjälten, bukspottkörteln och njurarna kan se ut som en generaliserad signal, " Sa Sherlock. "Men den här processen plockar upp subtiliteterna i signalvariation och löser det som först verkar vara en signal till de distinkta organen."
"Du kan verkligen se saker som är djupt inuti eller blockerade av andra organ som bukspottkörteln, " sa Dai.
Det finns några andra avbildningsmetoder som kan producera djupa vävnadsbilder, såsom magnetisk resonanstomografi (MRT) och datortomografi (CT) skanningar. Men fluorescensavbildning används i stor utsträckning inom forskning och kräver enklare maskiner.
Dai sa att de fluorescerande nanorören inte kan nå djupet av CT- eller MRI-skanningar, men nanorör är ett steg framåt i att bredda den potentiella användningen av fluorescens som ett bildsystem bortom ytan och nära ytan applikationer som det hittills varit begränsat till.
Sedan nanorörsfluorescens upptäcktes för ungefär tio år sedan, forskare har försökt göra fluorescensen ljusare, sa Dai. Fortfarande, han har blivit lite förvånad över hur bra de nu fungerar på djur.
"Jag föreställde mig inte att de verkligen kunde användas i djur för att få djupa bilder som dessa, " sa han. "När du tittar på bilder som denna, du får en känsla av att kroppen nästan har en viss insyn i sig."
