Les nanoparticules émettant de la lumière pourraient constituer un moyen plus sûr d'imager des cellules vivantes

Anonim

Une équipe de recherche a démontré comment on peut utiliser des nanoparticules émettant de la lumière, développées au Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département américain de l’énergie (Berkeley Lab), pour voir en profondeur des tissus vivants.

Les nanoparticules spécialement conçues peuvent être excitées par une lumière laser de très faible puissance à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge considérées comme sûres pour le corps humain. Ils absorbent cette lumière et émettent ensuite de la lumière visible qui peut être mesurée par un équipement d'imagerie standard.

L'application de développement et d'imagerie biologique de ces nanoparticules est détaillée dans une étude publiée en ligne le 6 août dans Nature Communications.

Les chercheurs espèrent développer davantage ces soi-disant nanoparticules à conversion ascendante, ou aUCNP, afin qu'elles puissent se fixer à des composants spécifiques des cellules pour servir dans un système d'imagerie avancé, par exemple pour éclairer des cellules cancéreuses uniques. Un tel système peut en fin de compte guider les chirurgies et les traitements de radiothérapie de haute précision et aider à effacer les traces de cancer, même minuscules.

"Avec un laser encore plus faible qu'un pointeur laser vert standard, nous pouvons nous immerger profondément dans les tissus", a déclaré Bruce Cohen, qui fait partie d'une équipe scientifique de Molecular Foundry de Berkeley Lab qui travaille avec des chercheurs de UC San Francisco pour adapter les nanoparticules. utilisations médicales. The Molecular Foundry est une installation du Département des sciences de DOE spécialisée dans la recherche en nanosciences. Elle est accessible aux scientifiques de tous les pays et du monde.

Cohen a noté que certains systèmes d'imagerie existants utilisent une lumière laser plus puissante qui risque d'endommager les cellules.

"Le défi est le suivant: comment pouvons-nous imaginer les systèmes vivants avec une sensibilité élevée sans les endommager? Cette combinaison de puissances d'éclairage à faible consommation d'énergie et de faible laser est ce à quoi tout le monde travaille depuis longtemps", a-t-il déclaré. La puissance laser nécessaire aux aUCNPs est des millions de fois inférieure à la puissance nécessaire pour les sondes d'imagerie proche infrarouge classiques.

Dans cette dernière étude, les chercheurs ont démontré comment les aUCNPs peuvent être imagés dans des tissus de souris vivants à plusieurs millimètres de profondeur. Ils étaient excités par des lasers suffisamment faibles pour ne causer aucun dommage.

Les chercheurs ont injecté des nanoparticules dans les coussinets adipeux mammaires de souris et ont enregistré des images de la lumière émise par les particules, ce qui ne semblait pas présenter de toxicité pour les cellules.

D'autres tests seront nécessaires pour savoir si les aUCNP produits à Berkeley Lab peuvent être injectés en toute sécurité chez l'homme et pour tester les revêtements que les scientifiques de Berkeley Lab conçoivent pour se lier spécifiquement aux cellules cancéreuses.

Le Dr Mekhail Anwar, radio-oncologue et professeur adjoint à l'Université de Californie à San Francisco, qui a participé à la dernière étude, a noté qu'il existe de nombreuses techniques d'analyse médicale pour localiser les cancers: mammographies, IRM et TEP-TDM. détails précis à très petites échelles.

"Nous avons vraiment besoin de savoir exactement où se trouve chaque cellule cancéreuse", a déclaré Anwar, un utilisateur de Foundry qui collabore avec des scientifiques de Molecular Foundry dans ses recherches. "Habituellement, nous disons que vous avez de la chance quand nous l'attrapons tôt et que le cancer n'est qu'à un centimètre environ, soit environ 1 milliard de cellules. Mais où sont les plus petits groupes de cellules qui se cachent?"

Nous espérons que les travaux futurs de la fonderie moléculaire permettront d'améliorer les techniques d'imagerie du cancer à l'aide des aUCNPs, et les chercheurs développent un capteur d'imagerie à intégrer aux nanoparticules pouvant être fixées au matériel chirurgical et aux gants chirurgicaux. interventions chirurgicales.

Une percée dans le développement des UCNP par le laboratoire a été de trouver des moyens d'accroître leur efficacité à émettre la lumière absorbée à des énergies plus élevées, a déclaré Emory Chan, un scientifique de la fonderie moléculaire qui a également participé à la dernière étude.

Pendant des décennies, la communauté des chercheurs avait cru que le meilleur moyen de produire ces matériaux appelés à convertir était de les implanter ou de les "doper" avec une faible concentration de métaux appelés lanthanides. Les chercheurs pensaient que trop de ces métaux pourraient rendre la lumière qu'ils émettent moins brillante avec la plupart de ces métaux ajoutés.

Mais les expériences menées par les chercheurs de Molecular Foundry, Bining "Bella" Tian et Angel Fernandez-Bravo, qui ont fabriqué des UCNP riches en lanthanides et mesuré leurs propriétés, ont contrarié cette compréhension.

Les études de UCNP individuelles se sont révélées particulièrement utiles pour montrer que l'erbium, un lanthanide dont on pensait qu'il ne joue qu'un rôle dans l'émission lumineuse, peut également absorber directement la lumière et libérer un autre lanthanide, l'ytterbium, pour absorber plus de lumière. Emory Chan, un scientifique de la fonderie moléculaire qui a également participé à la dernière étude, a décrit le nouveau rôle multitâche de erbium dans les UCNP comme une "triple menace".

Les UCNP utilisées dans la dernière étude mesurent environ 12 à 15 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre, ce qui est assez petit pour leur permettre de pénétrer dans les tissus. "Leurs coquilles sont cultivées comme un oignon, une couche à la fois", a déclaré Chan.

Jim Schuck, un participant à l’étude et ancien scientifique de Berkeley Lab actuellement à l’Université Columbia, a noté que la dernière étude s’appuie sur un effort de dix ans de la fonderie moléculaire pour comprendre, repenser et trouver de nouvelles applications pour les UCNP.

"Ce nouveau paradigme dans la conception de l'UCNP, qui conduit à des particules beaucoup plus lumineuses, est un véritable changement de jeu pour toutes les applications d'imagerie à UCNP unique", a-t-il déclaré.

Les chercheurs de la fonderie moléculaire travailleront sur les moyens d'automatiser la fabrication des nanoparticules à l'aide de robots et de les recouvrir de marqueurs qui se lient sélectivement aux cellules cancéreuses.

Cohen a déclaré que le travail de collaboration avec UCSF a ouvert de nouvelles voies d’exploration pour les UCNP, et il espère que les efforts de recherche se développeront.

"Nous n'aurions jamais pensé les utiliser pour l'imagerie pendant les chirurgies", a-t-il déclaré. "Travailler avec des chercheurs comme Mekhail ouvre cette merveilleuse pollinisation croisée de différents domaines et de différentes idées."

Anwar a déclaré: «Nous sommes vraiment reconnaissants d’avoir accès à la connaissance et au large éventail d’instruments» de la fonderie moléculaire du laboratoire.

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