Fluorescerande nanopartiklar laddade med organiska ljusavgivande färgämnen förväntas förvandla levande djuravbildningsteknologier. Jämfört med oorganiska kvantprickar, dessa optiskt stabila material är giftfria och kan lätt modifieras med funktionella grupper, vilket gör dem idealiska när man riktar in sig på specifika vävnader i kroppen. Tyvärr, traditionella färgämnen har varit kända för att aggregera och förlora sin emissionsintensitet när de ingår i nanopartiklar i hög koncentration. För att övervinna detta problem, ett team av forskare ledda av Bin Liu och Ben Zhong Tang vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering har nu designat en familj av färgämnen med förbättrad fluorescens vid aggregering.

I hjärtat av de traditionella färgämnena finns en plan kromofor som kallas trifenylaminmodifierad dicyanometylen, som avger rött ljus i utspädda lösningar men fluorescerar svagt när det aggregeras. "Den närliggande närheten av kromoforerna inducerar fluorescenssläckning på grund av icke-strålningsvägar, säger Liu.

Liu, Tang och deras team vände detta fenomen genom att fästa propellerformade tetrafenyletenhängen på varje extremitet av kromoforen. I motsats till plana föreningar, propellrarnas form förhindrar starka staplingsinteraktioner mellan kromoforer, blockerar den aggregationsorsakade släckningsprocessen. Dessutom, den fysiska inneslutningen hindrar dessa propellrar från att rotera fritt, möjliggör ljusemission.

Teamet formulerade färgämnena med hjälp av en bovint serumalbumin (BSA) matris - en biokompatibel och kliniskt använd polymer - och utvärderade deras prestanda som sonder. Experimentell karakterisering visade att våglängden för nanopartiklarnas emissionsmaximum förblev oförändrad vid inkapsling och att intensiteten hos det emitterade ljuset ökade med färgladdningen.

Levande avbildning av bröstcancerceller avslöjade att nanopartiklarna visade mer intensiv och homogent fördelad röd fluorescens i cytoplasman (se bild) än fria aggregat, vilket tyder på att BSA ökade det cellulära upptaget av färgämnena. Teamet fann också att nanopartiklarna var optiskt stabila i biologiska medier och visade god biokompatibilitet.

Forskarna injicerade intravenöst nanopartiklarna i levertumörbärande möss för in vivo avbildningsstudier. De fann att till skillnad från gratis aggregat, nanopartiklarna selektivt ackumulerats i tumören, tydligt framhäver cancervävnaden hos djuren. "Denna demonstration understryker nya forskningsmöjligheter för att utforska liknande diagnostiska prober med potentiella kliniska tillämpningar, säger Liu.

Teamet undersöker för närvarande nära-infraröda emissiva biologiska prober för riktade in vivo tumöravbildningstillämpningar. Nanopartiklarna kan också användas för att förstå cancermetastaser eller transplanterade stamcellers öde. "Dessa sonder är lovande i multimodala avbildningstillämpningar genom integration med magnetisk resonanstomografi eller kärnavbildningsreagenser, säger Liu.