(Phys.org)-En färgbaserad bildteknik känd som tvåfotonmikroskopi kan producera bilder av aktiva neurala strukturer i mycket finare detaljer än funktionell magnetisk resonansavbildning, eller fMRI, men det kräver kraftfulla och dyra lasrar. Nu, ett forskarlag vid University of Pennsylvania har utvecklat en ny typ av färgämne som kan minska kostnaden för tekniken med flera storleksordningar.

Studien leddes av docent Sergei Vinogradov och postdoktorn Tatiana Esipova, både vid Institutionen för biokemi och molekylär biofysik i Penn's Perelman School of Medicine, tillsammans med Christopher Murray, en professor vid institutionerna för kemi vid Institutionen för konst och vetenskap och materialvetenskap och teknik vid Tekniska högskolan.

Den publicerades i Förfaranden från de nationella vetenskapsakademierna .

Tvåfotonmikroskopi innebär att man använder en kraftfull laser för att snabbt skjuta fotoner i en starkt fokuserad stråle som kan passera genom levande vävnad. Den kombinerade energin hos ett par infraröda fotoner som kolliderar med en molekyl av ett markörfärgämne får det att fluorescera i det synliga området. Genom att skanna strålens fokus över ett tredimensionellt utrymme, fluorescensen av färgämnet kan avslöja även de minsta 3D-strukturer, såsom blodkapillärer i hjärnan och även enskilda celler. Och genom att använda färgämnen som är känsliga för kemin i specifika biologiska processer, såsom rörelsen av kalciumjoner som tillåter neuroner att skjuta, tekniken kan till och med användas för funktionell avbildning; den kan känna av förändringar i neural aktivitet när en person tänker.

"Det är praktiskt taget det enda sättet att titta på enskilda celler eller till och med subcellulära strukturer i hjärnan på djupet, ", sade Vinogradov. "FMRI ger dig bara större regioner; du ser inte detaljerna. Och många av de saker vi är intresserade av att sondera ligger väldigt nära varandra."

Nackdelen med denna teknik är att för närvarande tillgängliga färgämnen kräver enorma mängder energi för att producera användbara bilder. Forskare måste använda femtosekundlasrar, som kan skjuta en quadrillion fotonpar en sekund. Dessa lasrar är mycket dyra, dock, begränsa tillämpningarna av mikroskopitekniken.

En möjlig lösning skulle vara att använda ett färgämne som fluorescerar lättare. För detta ändamål, nanopartiklar gjorda av lantanidelementen har länge undersökts som molekylära sonder.

"Dessa nanopartiklar har en excitabilitet som är en miljon till 10 miljoner gånger högre än befintliga molekylära färgämnen, "Sa Vinogradov." Det betyder att för att excitera dessa nanopartiklar, du kan använda en ljuskälla som kostar närmare $ 200 i stället för $ 200, 000."

Utmaningen var då att få in lantanid-nanopartiklar i de typer av vävnader som forskare ville studera, såsom hjärnan. Eftersom dessa nanopartiklar inte är lösliga, de kan inte säkert injiceras i blodomloppet. Istället för att flöda tillsammans med blodet, de skulle sitta på botten av blodkärlen, så småningom bildar en blodpropp.

Andra grupper hade försökt öka nanopartikelns löslighet genom att slå in dem i hydrofila, eller vattenälskande, polymerer. Dessa polymerer är i huvudsak strängar med en svans som attraheras av vatten och ett huvud som attraheras av partikeln. I teorin, huvudet skulle binda till nanaopartikelns yta och svansen skulle interagera med blodomloppet, men, eftersom strängen skulle fästas vid partikeln genom en enda kontaktpunkt, det kan lätt falla av. Att lägga till fler partikelbindande platser till strängen löser ett problem men skapar ett annat.

"Den här typen av snöre lindar ihop och limmar till partikeln, men ingen av dess hydrofila delar är tillgänglig för att interagera med lösningsmedlet, Vinogradov sa. "Den fäster till nanopartikeln men gör den inte nämnvärt mer löslig."

Vinogradov och hans kollegor tog ett annat tillvägagångssätt, framställa dendritiska polymerer. Dessa dendrimerer har flera grenar fästa vid en kärna, ger dem en övergripande sfärisk form.

"Tänk dig att du har en tennisboll, och du fäster den på en kardborrebelagd vägg. För det är en boll, det finns fortfarande en betydande del av dess yta som fortfarande är exponerad, Vinogradov sa. "Vi tar lantanidnanopartiklarna och täcker hela deras yta med dessa hydrofila bollar. Det är ett väldigt enkelt geometriskt koncept."

Att fästa dessa dendrimerer till nanopartiklar var möjligt på grund av Christopher Murrays tidigare forskning, vilket möjliggjorde ett speciellt förfarande för att "prima-belägga" nanopartikelytor med ett lager som underlättar deras interaktion med dendrimerer.

Forskarna testade effekten av detta tillvägagångssätt på en musmodell. De började med att injicera ett konventionellt markörfärgämne och använda en femtosekundlaser för att kartlägga vaskulaturen i en del av musens hjärna. De bytte sedan till en laser som var en miljon gånger svagare och kartlade samma region igen, förutsägbart producerar ingen fluorescens. Till sist, de behöll samma svaga laser men injicerade de dendrimerbelagda nanopartiklarna, vilket gjorde det möjligt för forskarna att producera samma bilder som i det första försöket.

"Det betyder att vi gjorde samma experiment som femtosekundlasern men med en som kostar hundratusentals dollar mindre, sa Vinogradov.

Detta experiment var den första demonstrationen av användning av lantanid-nanopartiklar vid neuromiaging samt det första exemplet på två-foton in vivo mikroskopi med enkel, billiga lasrar.