Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
För att korrekt diagnostisera och behandla sjukdomar måste läkare och forskare se inuti kroppar. Medicinska bildbehandlingsverktyg har kommit långt sedan den ödmjuka röntgenbilden, men de flesta befintliga verktyg är fortfarande för grova för att kvantifiera antal eller specifika typer av celler inuti kroppens djupa vävnader.
Kvantprickar kan göra det, enligt ny forskning på möss från University of Illinois.
"Kvantprickar kan mäta saker i kroppen som är väldigt, väldigt dynamiska och komplicerade och som vi inte kan se för närvarande. De ger oss möjligheten att räkna celler, upptäcka deras exakta lägen och observera förändringar över tid. Jag tror att det är verkligen ett stort framsteg", säger Andrew Smith, professor vid institutionen för bioteknik vid U of I och medförfattare på ACS Nano studera.
Kvantprickar är labbodlade nanopartiklar - bara några hundra atomer i storlek - med speciella optiska egenskaper som kan detekteras med standardmikroskopi, tomografi (t.ex. PET/CT-skannrar) och fluorescensavbildning. Beroende på deras storlek och sammansättning kan bioingenjörer som Smith få dem att lysa i specifika färger och avge ljus i det infraröda spektrumet.
"Att sända ut ljus i det infraröda är sällsynt. Mycket lite ljus sänds ut av vävnader i det infraröda, så om du sätter dem i kroppen ser de väldigt ljusa ut. Vi kan se djupt in i kroppen och kan mäta saker mer exakt än vi kunde använder teknik inom det synliga området, säger Smith.
I ACS Nano studie släppte Smith och kollegor kvantprickar lösa på makrofager.
När våra kroppar behöver sluka upp patogener eller rensa upp cellskräp, går makrofager till jobbet. Ett av deras jobb är att initiera inflammation, vilket gör miljön ogästvänlig för skadliga mikrober. Men ibland gör de det jobbet för bra. Beroende på vilken vävnad de befinner sig i, kan kronisk inflammation på grund av makrofagaktivitet leda till diabetes, hjärt-kärlproblem, cancer och mer.
U of I-teamet var särskilt intresserade av makrofager i fett eller fettvävnad.
"Med viktökning och fetma är antalet makrofager kända för att öka i fettvävnad och tenderar att skifta mot en inflammatorisk fenotyp, vilket bidrar till utvecklingen av insulinresistens och metabolt syndrom. Antalet och placeringen av makrofager i fettvävnaden är dåligt beskrivna, speciellt in vivo", säger Kelly Swanson, Kraft Heinz Company-begåvad professor i human nutrition vid institutionen för husdjursvetenskap vid U of I och studiemedförfattare.
"De kvantprickar som vår grupp utvecklade möjliggör bättre kvantifiering och karakterisering av cellerna som finns i fettvävnad och deras rumsliga fördelning", tillägger han.
Teamet skapade kvantprickar belagda med dextran, en sockermolekyl som också riktar sig mot makrofager i fettvävnad. Som ett proof-of-concept injicerade de dessa kvantprickar i överviktiga möss och jämförde bildresultat med enbart dextran, den nuvarande standarden för avbildning av makrofager.
Quantum dots överträffade enbart dextran på alla bildplattformar, inklusive enkla optiska tekniker.
"Kvantprickar släpper ut en enorm mängd ljus, vilket ger oss möjlighet att mäta specifika celltyper i högre grad och identifiera var de är", säger Smith. "Den här graden av ljusutgång tillåter användning av optiska tekniker, som är mycket mer tillgängliga än andra bildtekniker. Jämfört med MRI- och PET-skannrar är de billiga instrument som kan placeras i en liten klinik. Alla skulle kunna ha en."
Även om kvantprickar ännu inte har använts hos människor, ser Swanson en framtid där en enkel optisk teknik som ultraljud kan användas för att icke-invasivt diagnostisera och spåra inflammatoriska makrofager hos överviktiga patienter.
"Det kan finnas en enhet som ett ultraljud där du skannar någon, och även om en patients vikt inte har förändrats, kan en läkare berätta om celltyperna förändras. Fler inflammatoriska celler kan förutsäga insulinresistens och andra problem", säger han . "Det är därför jag är intresserad av det, för dess diagnostiska egenskaper."
Kvantprickar används inte hos människor eftersom de vanligtvis är gjorda av tungmetaller som kadmium och kvicksilver, och forskare har fortfarande inte räknat ut hur de metaboliseras och tas bort från kroppen. Smith och hans team arbetar med kvantprickar gjorda med säkrare element, men fram till dess förblir de ett ovärderligt forskningsverktyg. Till exempel kan deras långa cirkulationstid – nio gånger så lång som dextran i den aktuella studien – ge diagnostiker ett sätt att gå längre än en ögonblicksbild i tiden.
"Det finns en enorm variation av makrofager även över en dag. Fettvävnad kan ha ett mycket högt antal mitt på dagen, och sedan sjunker det långt ner," säger Smith. "I djurstudier kan vi offra djur i början och slutet av en dag för att studera trenden, men med kvantprickar kanske vi inte behöver göra det. Du kan spåra ett djur över tiden för att se dess utveckling.
"Kvantprickar erbjuder ett enormt värde i djurstudier. Så även om kvantprickar inte når fram till människor, om vi aldrig hittar ett sätt att göra dem giftfria, är värdet fortfarande riktigt stort." + Utforska vidare
