Nanotechnologia poprawia obrazowanie molekularne tkanek
Technologie obrazowania medycznego, w tym ultrasonografia i rezonans magnetyczny, zmieniły diagnostykę, ale jeśli chodzi o wizualizację poszczególnych komórek umiejscowionych głęboko w tkankach, nie zapewniają one pożądanej wyrazistości. Jednym z powodów jest „szum” sygnału generowany przez pobliskie komórki w próbce, które zasadniczo dają sygnał o takiej samej intensywności. Aby temu zaradzić, naukowcy stworzyli środki kontrastowe znakujące określone obszary tkanek. Jednak nawet po ich zastosowaniu sygnałom pochodzącym z pojedynczych komórek trudno jest wyróżnić się w zatłoczonym środowisku biologicznym.
Przełączany środek kontrastowy
W ramach finansowanego przez UE projektu SWIMMOT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracowano nowy środek kontrastowy, którego aktywne włączanie i wyłączanie podczas obrazowania optycznego pozwala wyeliminować szumy tła. „W projekcie SWIMMOT poszliśmy o krok dalej i opracowaliśmy środek kontrastowy, który można włączać i wyłączać na żądanie”, mówi koordynator projektu Stefan Schrittwieser. „Odejmując obraz z wyłączonym kontrastem od obrazu z włączonym kontrastem, otrzymujemy czysty sygnał pochodzący wyłącznie ze środka kontrastowego, bez zakłóceń generowanych przez otaczającą tkankę”. Sercem tej innowacji jest specjalnie zaprojektowana nanocząsteczka: kobaltowo-złoty nanopręt(odnośnik otworzy się w nowym oknie) owinięty w biokompatybilny polimer oznaczony przeciwciałem, aby celować w określone komórki. Nanopręty te są wrażliwe na pola magnetyczne, które kontrolują ich orientację. Po ustawieniu równolegle do spolaryzowanego źródła światła pochłaniają i rozpraszają je, wytwarzając widoczny sygnał. Jednak gdy są zorientowane prostopadle, stają się zasadniczo niewidoczne dla systemu obrazowania. To przełączane zachowanie umożliwia naukowcom rejestrowanie dwóch obrazów: jednego z sygnałem i jednego bez, a następnie cyfrowe odejmowanie jednego od drugiego, co pozwala usunąć tło.
Testy in vivo
Środek kontrastowy został przetestowany zarówno in vitro w hodowlach komórkowych, jak i in vivo w modelach danio pręgowanego, przy czym nie zaobserwowano toksyczności przy zastosowanych stężeniach obrazowania. Nanopręty wstrzyknięto zwierzętom, a naukowcy wykonali sparowane obrazy pokazujące obszary akumulacji środka kontrastowego, które w przeciwnym razie byłyby maskowane przez otaczającą tkankę. „Najważniejszym osiągnięciem było wykazania, że ta zasada obrazowania działa w żywym organizmie”, mówi Schrittwieser. „Do osiągnięcia tego kamienia milowego przyczyniło się wszystkich pięciu partnerów projektu dzięki swojej wiedzy i doświadczeniu”, dodaje.
Platforma o dwóch funkcjach
Ważnym aspektem projektu SWIMMOT jest także integracja dwóch uzupełniających się technik: obrazowania, obrazowania fotoakustycznego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i koherencyjnej tomografii optycznej(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Obie umożliwiają wizualizację głębokich tkanek w wysokiej rozdzielczości, ale opierają się na różnych zasadach fizycznych. W systemie SWIMMOT obie techniki są wzbogacone o magnetyczne jednostki sterujące, które synchronizują przełączanie kontrastu w całym procesie obrazowania. To multimodalne podejście poprawia zarówno głębię, jak i precyzję obrazowania komórkowego. Dzięki temu sprawdza się w zastosowaniach takich jak badania nad cukrzycą, w których pożądana jest wizualizacja biomarkerów komórkowych.
Plany na przyszłość
Co prawda technologia SWIMMOT nie jest jeszcze gotowa do wdrożenia klinicznego, perspektywy jednak są obiecujące. Zastosowane w projekcie metody obrazowania są już wykorzystywane w szpitalach, przy niskich i bezpiecznych wartościach pola magnetycznego. Głównym wyzwaniem pozostaje zwiększenie skali i zapewnienie biokompatybilności środka kontrastowego podczas długotrwałego stosowania. W związku z tym zespół SWIMMOT nawiązał już współpracę z europejską firmą zajmującą się obrazowaniem fotoakustycznym, aby kontynuować prace rozwojowe. „W nieodległej perspektywie najbardziej prawdopodobne jest stosowanie tej technologii w naukach podstawowych”, mówi Schrittwieser.
