(Phys.org) — Fotoakustisk avbildning är en hybrid biomedicinsk avbildningsmodalitet, baserat på den fotoakustiska effekten, där icke-joniserande laserpulser levereras till biologiska vävnader. (Mer specifikt, i den fotoakustiska effekten bildas ljudvågor på grund av tryckförändringar när ett material absorberar modulerat eller pulserat ljus med varierande intensitet. Dessa vågor detekteras sedan av, till exempel, mikrofoner eller piezoelektriska sensorer. Den resulterande fotoakustiska signalen är strömmen eller spänningen som ger värdet som indikerar hur ljudvågorna varierar i tiden.) Nyligen, forskare vid Stanford University utvecklade en ny klass av kontrastmedel för fotoakustisk molekylär avbildning – nämligen, nära-infrarött (NIR) ljusabsorberande halvledande polymernanopartiklar (SPN) som producerar en starkare signal än enkelväggiga kolnanorör och guldnanorod – egenskaper som gjorde det möjligt för forskarna att utföra fotoakustisk kartläggning av hela kroppens lymfkörtlar på levande laboratoriemöss. Dessutom, dessa halvledande polymer nanopartiklar har hög strukturell flexibilitet, smala fotoakustiska spektrala profiler och stark motståndskraft mot fotonedbrytning och oxidation – egenskaper som är väsentliga för att utforma den första nära-infraröda ratiometriska fotoakustiska sonden för in vivo realtidsavbildning av de reaktiva syreämnena (ROS) som förmedlar många sjukdomar. Kortfattat, forskarna säger, deras resultat visar att halvledande polymernanopartiklar är den perfekta nanoplattformen för utveckling av fotoakustiska molekylära sonder.

Prof. Jianghong Rao diskuterade uppsatsen att han, Dr. Kanyi Pu och deras medförfattare publicerade i Naturens nanoteknik . "För det första, det finns flera idealiska egenskaper en fotoakustisk bildsond bör ha, " Rao säger till Phys.org. "De här är ingen eller låg toxicitet, hög fotoakustisk effektivitet, utmärkt fotostabilitet och kemisk stabilitet, absorption i infraröd eller nära-infraröd våglängd för att undvika absorption av bakgrundsljus i vävnaden och uppnå bättre ljuspenetrering, och – för en molekylär avbildningssond – förmågan att generera målspecifik fotoakustisk bildkontrast." Rao fortsätter, nuvarande fotoakustiska kontrastmedel uppfyller i allmänhet inte alla dessa krav, har antingen dålig fotostabilitet, dålig oxidationsstabilitet, eller toxicitetsproblem. Medan fotoakustisk avbildning lovar att avsevärt förbättra fysiologisk och patologisk visualisering på molekylär nivå med djup vävnadspenetrering och fin rumslig upplösning, fotoakustiska molekylära avbildningssonder måste först utvecklas.

Å andra sidan, Rao noterar att halvledande polymernanopartiklar erbjuder ett antal attraktiva egenskaper, inklusive att vara ett fotoakustiskt bildkontrastmedel, ingen användning av giftiga metaller, vara biologiskt inert, har hög fotostabilitet, är resistenta mot oxidation, och förmågan att göras med hög absorption av nära-infrarött ljus. "Huvudfrågan, " han förklarar, "var om det var effektivt för halvledande polymer-nanopartiklar att producera akustiska signaler efter ljusexcitation - och vi var tvungna att undersöka typen av polymer för att bestämma detta. Allt detta sa, den stora utmaningen för molekylära fotoakustiska avbildningssonder är om de kan producera en specifik signal som svar på sina molekylära mål. Detta kräver en signalaktiveringsmekanism som kontrolleras av det molekylära målet."

När man hanterar dessa utmaningar, Rao säger att deras nyckelinsikt var att en halvledande polymer kan formuleras till en vattenlöslig nanopartikel och, beroende på dess struktur, de resulterande nanopartiklarna kan vara mycket effektiva för fotoakustisk avbildning. "Vår nyckelinnovation när det gäller att designa halvledande polymer-nanopartiklar till en fotoakustisk molekylär avbildningssond var att introducera ratiometrisk avbildning som ofta används i fluorescensavbildning, " säger han. Ratiometriska avbildningstekniker observerar emissionsvåglängdsförskjutningar av fluoroforer (fluorescerande kemiska föreningar som kan återutsända fotoner vid ljusexcitation) eller genom att jämföra emissionsintensiteten för en fluoroforkombination istället för att bara mäta intensitetsförändringar. "Genom att excitera sonden vid två olika våglängder, målaktiveringen leder till förändringen av den fotoakustiska signalen vid en våglängd, så förhållandet mellan signalerna vid två våglängder kommer att ändras i enlighet med detta. Detta gjorde det möjligt för oss att skapa en målspecifik fotoakustisk signal."

Rao beskriver några av tidningens intressanta och viktiga fynd, börjar med deras grundläggande demonstration att nära-infrarött ljusabsorberande halvledande polymernanopartiklar kan fungera som en effektiv och stabil nanoprtform för att tillåta fotoner att användas för att generera ultraljudsvågor, möjliggör in vivo fotoakustisk molekylär avbildning. "Halvledande polymernanopartiklar kan absorbera en stor mängd nära-infrarött ljus, " förklarar han. "Den absorberade energin försvinner sedan som värme för att generera ljudvågor och dessa vågor kan detekteras av ultraljudsgivaren och i sin tur utnyttjas för fotoakustisk avbildning. Att adressera ett annat resultat – att aktiverbara molekylära avbildningssonder kan genomgå en inneboende signalutveckling vid detektering av molekylära mål eller händelser, tillhandahålla en realtidskorrelation mellan sondaktiverade kontra icke-aktiverade tillstånd och patologiska processer på molekylär nivå – Rao påpekar att i denna studie, sonden producerar fotoakustiska signaler vid två olika våglängder (700 nm och 820 nm) före aktivering av det molekylära målet ROS (reactive oxygen species). "Efter aktivering, " han lägger till, "signalen vid 820 nm försvinner, och signalen vid 700 nm kvarstår. Således återspeglar denna signalförändring målets närvaro och aktivitet. Bildförvärvet går snabbt, så att detekteringen kan ske i realtid. Avbildningen fångar molekylär förändring av sonden som återspeglar aktiviteten hos det molekylära ROS-målet i sjukdomen."

Uppsatsen betonar att fullt utnyttjande av potentialen hos fotoakustisk avbildning vid ett djup och rumslig upplösning som är ouppnåeligt med fluorescensavbildning kräver nya material som är mottagliga för konstruktion av aktiverbara fotoakustiska sonder. "Aktiverbara sonder kan göra det möjligt för en att upptäcka fysiologiska och patologiska molekylära händelser, Rao förklarar. de flesta aktuella aktiverbara sonderna är beroende av fluorescens, som inte ger det djupa bilddjup och höga rumsliga upplösning som fotoakustisk bildbehandling gör."

Går vidare, Rao säger, forskarna fortsätter att utforska sin tillämpning för bildbehandling – till exempel, fotoakustisk avbildning av cancer genom att fästa en tumörriktad molekyl till nanopartikeln. "Ett annat område kommer att vara att utforska fler polymerer som absorberar vid olika nära-infraröda våglängder, " han lägger till, "tillåter flera målavbildningar att göras samtidigt. Dessutom, medan detta arbete visar avbildning av reaktiva syrearter, andra molekylära mål, såsom pH och enzymarter, kan avbildas på liknande sätt." Rao påpekar också att det kan vara möjligt för den nya metoden att kombineras med läkemedelsleverans, effektivt skapa sk teranostisk nanopartiklar för personliga vårdtillämpningar genom att testa patienter för möjliga reaktioner på ett nytt läkemedel, och sedan skräddarsy en behandling för dem baserat på testresultaten.

Rao listar ett antal ansökningar som kommer att dyka upp som ett resultat av deras forskning. "Vår forskning kommer med största sannolikhet att leda till användningen av halvledande nanopartiklar för fotoakustisk avbildning på prekliniska djurmodeller, såsom avbildning av ROS i djupa vävnader vid sjukdomar, " säger han. "Det kan också leda till utvecklingen av andra halvledande polymerbaserade fotoakustiska bildsonder, både målsökande prober genom att konjugera en målsökande ligand" (en liten molekyl som bildar ett komplex med en biomolekyl för att tjäna ett biologiskt syfte) "och aktiverbara prober signalerar aktivering av andra molekylära mål än ROS."

När det gäller andra forskningsområden som kan dra nytta av deras studie, Rao säger till Phys.org att det nya nanomaterialet borde förbättra förmågan att studera cancer, neurodegenerativa, kardiovaskulära, och många andra sjukdomar i djurmodeller, och hjälpa till att avslöja rollen av avvikande RONS (reaktiva syre- och kvävearter) i dessa sjukdomar och bidra till utvecklingen av nya terapier. "Med översättningen av fotoakustisk bildbehandling till kliniker, Rao avslutar, "det kan också tillämpas på klinisk forskning."

© 2014 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.