Forskare har många verktyg till sitt förfogande för att titta på bevarad vävnad under ett mikroskop i otrolig detalj, eller tittar in i den levande kroppen med lägre upplösning. Vad de inte har haft är ett sätt att göra båda:skapa en tredimensionell realtidsbild av enskilda celler eller till och med molekyler i ett levande djur.

Nu, Stanford-forskare har gett den första glimten under huden på ett levande djur, visar intrikata realtidsdetaljer i tre dimensioner av lymfan och blodkärlen.

Tekniken, kallas MOZART (för molekylär avbildning och karakterisering av vävnad noninvasively at cellular resolution), kan en dag tillåta forskare att upptäcka tumörer i huden, tjocktarm eller matstrupe, eller till och med för att se de onormala blodkärlen som uppträder i de tidigaste stadierna av makuladegeneration - en ledande orsak till blindhet.

"Vi har försökt att titta in i den levande kroppen och se information på nivån för den enskilda cellen, sade Adam de la Zerda, en biträdande professor i strukturell biologi vid Stanford och senior författare på tidningen. "Hittills har det inte funnits något sätt att göra det."

De la Zerda, som också är medlem i Stanford Bio-X, sa att tekniken kan tillåta läkare att övervaka hur en annars osynlig tumör under huden svarar på behandlingen, eller för att förstå hur enskilda celler lossnar från en tumör och reser till avlägsna platser.

Går för guld

Det finns en teknik för att kika in i en levande vävnad flera millimeter under huden, avslöjar ett landskap av celler, vävnader och kärl. Men den tekniken, kallad optisk koherenstomografi, eller OKT, är inte tillräckligt känslig eller specifik för att se de enskilda cellerna eller molekylerna som cellerna producerar, vilket är det som intresserar de la Zerda.

En stor fråga har varit att hitta ett sätt att skilja mellan celler eller vävnader; till exempel, plocka ut cancerceller som börjar föröka sig i en allmänt frisk vävnad. I andra former av mikroskopi, forskare har skapat taggar som låser sig på molekyler eller strukturer av intresse för att belysa dessa strukturer och ge en detaljerad bild av var de är i cellen eller kroppen.

Inga sådana beacons existerade för ULT, även om de la Zerda visste att små partiklar som kallas guld nanorods hade några av de egenskaper han letade efter. Problemet var att de kommersiellt tillgängliga nanorodsna inte producerade tillräckligt med signaler för att detekteras i en vävnad.

Vad laget behövde var nanorods, men stora. Nanorods är analoga med orgelpipor, sa doktoranden Elliott SoRelle, eftersom längre rör vibrerar vid lägre frekvenser, skapa en djup, lågt ljud. Likaså, längre nanorods vibrerar vid lägre frekvenser, eller våglängder, av ljus. Dessa vibrationer sprider ljuset, som mikroskopet upptäcker.

Om alla andra vävnader vibrerar i ett vitt brus med högre frekvenser, längre nanorods skulle sticka ut som låga orgeltoner mitt i ett rum av babbel.

SoRelles utmaning var att tillverka längre nanorods som var giftfria, stabil och mycket ljus, vilket visade sig vara mycket att begära. "Min bakgrund var biokemi, och detta visade sig vara ett problem inom materialvetenskap och ytkemi, " sa SoRelle, som var medförsta författare på tidningen. Han kan nu tillverka giftfria nanorods i olika storlekar som alla vibrerar vid unika och identifierbara frekvenser.

Eliminera buller

Nästa utmaning var att filtrera bort nanorodernas frekvens från den omgivande vävnaden.

Att göra det, doktorand i elektroteknik och Bowes Bio-X Fellow Orly Liba utvecklade datoralgoritmer som kunde skilja ut frekvenserna av ljus som sprids av nanorods av olika längder och skilja dem från omgivande vävnad.

Med SoRelles stora nanorods och Libas känsliga algoritmer, de la Zerda och hans team hade löst det initiala problemet med att upptäcka specifika strukturer i tredimensionella bilder av levande vävnader. Den resulterande tredimensionella, Högupplösta bilder var så stora – i storleksordningen gigapixlar – att teamet behövde utveckla ytterligare algoritmer för att analysera och lagra så stora bilder.

Teamet testade sin teknik i örat på en levande mus, där de kunde se när nanoroderna togs upp i lymfsystemet och transporterades genom ett nätverk av klaffar. De kunde skilja mellan två olika nanorods som gav resonans vid olika våglängder i separata lymfkärl, och de kunde skilja mellan de två nanoroderna i lymfsystemet och blodkärlen. I en studie, de kunde se individuella klaffar i lymfkärlen öppna och stänga för att kontrollera vätskeflödet i en enda riktning.

"Ingen har visat den detaljnivån tidigare, sa Liba, som var medförsta författare på tidningen.

Omöjligt mål

Denna detaljerade avbildning var de la Zerdas första mål när han startade sitt labb 2012, även om han ofta fick höra att det skulle vara omöjligt. "Jag är på en liten avdelning, men med mycket duktig fakultet, " sa han. "En fakultetsmedlem berättade för mig sin egen livshistoria om att ta stora risker och det uppmuntrade mig. Jag tänkte att det skulle vara riktigt kul att se om vi kan få det att fungera och se celler prata med varandra i realtid."

Hans chansning kom igång främst med ett fröbidrag från Stanford Bio-X, som stödjer interdisciplinär forskning i tidiga skeden. "Det bidraget tillät oss att ta en stor risk i en riktning som var helt obevisad, sa de la Zerda.

Efter att ha visat att guldnanoroderna kan ses i levande vävnad, nästa steg är att visa att dessa nanorods kan binda till specifika typer av celler, som hudcancer eller onormala kärl i tidigt skede av makuladegeneration. Sedan, Tekniken kan användas för att lära sig mer om hur dessa sjukdomar utvecklas på molekylär nivå och även utvärdera behandlingar hos enskilda patienter, något som tidigare inte varit möjligt.