Ett forskarlag har visat hur ljusemitterande nanopartiklar, utvecklad vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan användas för att se djupt i levande vävnad.

De specialdesignade nanopartiklarna kan exciteras av laserljus med ultralåg effekt vid nära-infraröda våglängder som anses vara säkra för människokroppen. De absorberar detta ljus och avger sedan synligt ljus som kan mätas med standardbildutrustning.

Utvecklingen och tillämpningen av biologisk avbildning av dessa nanopartiklar beskrivs i detalj i en studie publicerad online den 6 augusti i Naturkommunikation .

Forskare hoppas kunna vidareutveckla dessa så kallade legerade uppkonverterande nanopartiklar, eller aUCNPs, så att de kan fästa till specifika komponenter av celler för att tjäna i ett avancerat bildsystem för att lysa upp även enstaka cancerceller, till exempel. Ett sådant system kan i slutändan styra operationer och strålbehandlingar med hög precision, och hjälpa till att radera även mycket små spår av cancer.

"Med en laser som är ännu svagare än en vanlig grön laserpekare, vi kan avbilda djupt in i vävnaden, sa Bruce Cohen, som är en del av ett forskarteam vid Berkeley Labs Molecular Foundry som arbetar med forskare från UC San Francisco för att anpassa nanopartiklarna för medicinsk användning. Molecular Foundry är en DOE Office of Science User Facility som specialiserat sig på nanovetenskaplig forskning – den är tillgänglig för besökande forskare från hela landet och världen.

Cohen noterade att vissa befintliga bildbehandlingssystem använder laserljus med högre effekt som riskerar att skada celler.

"Utmaningen är:Hur avbildar vi levande system med hög känslighet utan att skada dem? Denna kombination av lågenergiljus och låglaserkrafter är vad alla i fältet har arbetat mot ett tag, ", sa han. Laserkraften som behövs för aUCNPs är miljontals gånger lägre än kraften som behövs för konventionella nära-infraröda avbildningssonder.

I denna senaste studie, forskare har visat hur aUCNP kan avbildas i levande musvävnad på flera millimeters djup. De var upphetsade med lasrar som var tillräckligt svaga för att inte orsaka någon skada.

Forskare injicerade nanopartiklar i bröstfettkuddarna på möss och spelade in bilder av ljuset som sänds ut av partiklarna, som inte verkade utgöra någon toxicitet för cellerna.

Fler tester kommer att krävas för att veta om aUCNPs som produceras vid Berkeley Lab säkert kan injiceras i människor, och för att testa beläggningar Berkeley Lab-forskare designar för att specifikt binda till cancerceller.

Dr Mekhail Anwar, en strålningsonkolog och en biträdande professor vid UC San Francisco som deltog i den senaste studien, noterade att det finns många medicinska skanningstekniker för att lokalisera cancer - från mammografi till MRI och PET-CT - men dessa tekniker kan sakna exakta detaljer i mycket liten skala.

"Vi behöver verkligen veta exakt var varje cancercell är, sa Anwar, en Foundry-användare som samarbetar med Molecular Foundry-forskare i sin forskning. "Vanligtvis säger vi att du har tur när vi fångar den tidigt och cancern bara är ungefär en centimeter - det är ungefär 1 miljard celler. Men var gömmer sig de mindre grupperna av celler?"

Framtida arbete vid Molecular Foundry kommer förhoppningsvis att leda till förbättrade tekniker för att avbilda cancer med hjälp av aUCNP, han sa, och forskare utvecklar en bildsensor för att integreras med nanopartiklar som kan fästas på kirurgisk utrustning och till och med kirurgiska handskar för att lokalisera hotspots för cancer under kirurgiska ingrepp.

Ett genombrott i labbets utveckling av UCNP var att hitta sätt att öka deras effektivitet när det gäller att sända ut det absorberade ljuset vid högre energier, sa Emory Chan, en stabsforskare vid Molecular Foundry som också deltog i den senaste studien.

I årtionden, forskarvärlden hade trott att det bästa sättet att producera dessa så kallade uppkonverterande material var att implantera dem eller "dopa" dem med en låg koncentration av metaller som kallas lantanider. För många av dessa metaller, forskare trodde, skulle få ljuset de avger att bli mindre ljust med fler av dessa tillsatta metaller.

Men experiment ledda av Molecular Foundry-forskarna Bining "Bella" Tian och Angel Fernandez-Bravo, som gjorde lantanidrika UCNP och mätte deras egenskaper, ökade denna rådande förståelse.

Studier av individuella UCNP visade sig vara särskilt värdefulla för att visa att erbium, en lantanid som tidigare troddes bara spela en roll i ljusemission, kan också direkt absorbera ljus och frigöra en annan lantanid, ytterbium, att absorbera mer ljus. Emory Chan, en stabsforskare vid Molecular Foundry som också deltog i den senaste studien, beskrev erbiums nyupptäckta multitasking-roll i UCNPs som ett "trippelt hot."

UCNP:erna som användes i den senaste studien mäter cirka 12-15 nanometer (miljarddelar av en meter) i diameter - tillräckligt små för att de ska kunna tränga in i vävnaden. "Deras skal odlas som en lök, ett lager i taget, " sa Chan.

Jim Schuck, en studiedeltagare och tidigare Berkeley Lab-forskare nu vid Columbia University, noterade att den senaste studien bygger på en decennielång ansträngning vid Molecular Foundry för att förstå, designa om, och hitta nya applikationer för UCNP.

"Detta nya paradigm inom UCNP-design, vilket leder till mycket ljusare partiklar, är en riktig spelväxlare för alla enkel-UCNP-bildbehandlingsapplikationer, " han sa.

Forskare vid Molecular Foundry kommer att arbeta på sätt att automatisera tillverkningen av nanopartiklar med robotar, och att belägga dem med markörer som selektivt binder till cancerceller.

Cohen sa att samarbetet med UCSF har öppnat nya utforskningsvägar för UCNP, och han förväntar sig att forskningsansträngningen kommer att växa.

"Vi skulle aldrig ha tänkt på att använda dessa för bildbehandling under operationer, "Att arbeta med forskare som Mekhail öppnar upp för denna underbara korspollinering av olika fält och olika idéer."

Anwar sa, "Vi är verkligen tacksamma över att ha tillgång till kunskapen och det breda utbudet av instrumentering" på Lab's Molecular Foundry.