För vissa frekvenser av kortvågigt infrarött ljus, de flesta biologiska vävnader är nästan lika genomskinliga som glas. Nu, forskare har gjort små partiklar som kan injiceras i kroppen, där de sänder ut dessa penetrerande frekvenser. Framsteg kan ge ett nytt sätt att göra detaljerade bilder av inre kroppsstrukturer som fina nätverk av blodkärl.

De nya rönen, baserat på användningen av ljusemitterande partiklar som kallas kvantprickar, beskrivs i en artikel i tidskriften Nature Biomedicinsk teknik , av MIT-forskaren Oliver Bruns, nyutexaminerad Thomas Bischof PhD '15, professor i kemi Moungi Bawendi, och 21 andra.

Nära-infraröd avbildning för forskning om biologiska vävnader, med våglängder mellan 700 och 900 nanometer (miljarddelar av en meter), används flitigt, men våglängder på runt 1, 000 till 2, 000 nanometer har potential att ge ännu bättre resultat, eftersom kroppsvävnader är mer genomskinliga för det ljuset. "Vi visste att detta bildläge skulle vara bättre" än befintliga metoder, Bruns förklarar, "men vi saknade sändare av hög kvalitet" - det vill säga, ljusavgivande material som skulle kunna producera dessa exakta våglängder.

Ljusemitterande partiklar har varit en specialitet för Bawendi, Lester Wolf professor i kemi, vars labb genom åren har utvecklat nya sätt att göra kvantprickar. Dessa nanokristaller, gjorda av halvledarmaterial, avge ljus vars frekvens kan justeras exakt genom att kontrollera den exakta storleken och sammansättningen av partiklarna.

Nyckeln var att utveckla versioner av dessa kvantprickar vars emissioner matchade de önskade kortvågiga infraröda frekvenserna och var tillräckligt ljusa för att sedan lätt upptäckas genom omgivande hud och muskelvävnader. Teamet lyckades göra partiklar som är "storleksordningar bättre än tidigare material, och som tillåter oöverträffade detaljer i biologisk avbildning, " säger Bruns. Syntesen av dessa nya partiklar beskrevs ursprungligen i en artikel av doktorand Daniel Franke och andra från Bawendi-gruppen i Naturkommunikation förra året.

Kvantprickarna som laget producerade är så ljusa att deras utsläpp kan fångas med mycket korta exponeringstider, han säger. Detta gör det möjligt att producera inte bara enstaka bilder utan video som fångar rörelsedetaljer, såsom blodflödet, gör det möjligt att skilja mellan vener och artärer.

De nya ljusemitterande partiklarna är också de första som är tillräckligt ljusa för att möjliggöra avbildning av inre organ hos möss som är vakna och rör sig, i motsats till tidigare metoder som krävde att de skulle bedövas, säger Bruns. Initiala ansökningar skulle vara för preklinisk forskning på djur, eftersom föreningarna innehåller vissa material som sannolikt inte kommer att godkännas för användning på människor. Forskarna arbetar också med att utveckla versioner som skulle vara säkrare för människor.

Metoden bygger också på användningen av en nyutvecklad kamera som är mycket känslig för just detta område av kortvågigt infrarött ljus. Kameran är en kommersiellt utvecklad produkt, Bruns säger, men hans team var den första kunden för kamerans specialiserade detektor, gjord av indium-gallium-arsenid. Även om denna kamera utvecklades för forskningsändamål, dessa frekvenser av infrarött ljus används också som ett sätt att se genom dimma eller rök.

Inte bara kan den nya metoden bestämma riktningen för blodflödet, Bruns säger, den är tillräckligt detaljerad för att spåra enskilda blodkroppar inom det flödet. "Vi kan spåra flödet i varje kapillär, i superhög hastighet, " säger han. "Vi kan få ett kvantitativt mått på flödet, och vi kan göra sådana flödesmätningar med mycket hög upplösning, över stora ytor."

Sådan avbildning skulle potentiellt kunna användas, till exempel, att studera hur blodflödesmönstret i en tumör förändras när tumören utvecklas, vilket kan leda till nya sätt att övervaka sjukdomsprogression eller lyhördhet för en läkemedelsbehandling. "Detta kan ge en bra indikation på hur behandlingar fungerar som inte var möjliga tidigare, " han säger.