L'imaging a fluorescenza è ampiamente utilizzato per visualizzare tessuti biologici come la parte posteriore dell'occhio, dove possono essere rilevati segni di degenerazione maculare. È anche comunemente usato per l'immagine dei vasi sanguigni durante la chirurgia ricostruttiva, consentendo ai chirurghi di assicurarsi che i vasi siano correttamente collegati.

Per queste procedure, così come altri ora in studi clinici, come l'imaging dei tumori, i ricercatori utilizzano una porzione dello spettro luminoso noto come vicino infrarosso (NIR) - da 700 a 900 nanometri, appena oltre ciò che l'occhio umano può rilevare. Un colorante che emette fluorescenza a questa lunghezza d'onda viene somministrato al corpo o ai tessuti e quindi ripreso con una fotocamera specializzata. I ricercatori hanno dimostrato che la luce con lunghezze d'onda maggiori di 1, 000 nanometri, noto come infrarossi a onde corte (SWIR), offre immagini molto più chiare rispetto a NIR, ma non ci sono coloranti fluorescenti approvati dalla FDA con emissione di picco nella gamma SWIR.

Un team di ricercatori del MIT e del Massachusetts General Hospital ha compiuto un passo importante verso la diffusione dell'imaging SWIR. Hanno dimostrato che un approvato dalla FDA, il colorante disponibile in commercio ora utilizzato per l'imaging nel vicino infrarosso funziona molto bene anche per l'imaging a infrarossi a onde corte.

"Quello che abbiamo scoperto è che questo colorante, che è stato approvato dal 1959, è davvero il migliore, il fluoroforo più brillante che conosciamo a questo punto per l'imaging nell'infrarosso a onde corte, "dice Moungi Bawendi, il Lester Wolf Professor di Chimica al MIT. "Ora i medici possono iniziare a provare l'imaging a onde corte per le loro applicazioni perché hanno già un fluoroforo approvato per l'uso nell'uomo".

L'acquisizione di immagini di questo colorante con una fotocamera che rileva la luce infrarossa a onde corte potrebbe consentire a medici e ricercatori di ottenere immagini molto migliori dei vasi sanguigni e di altri tessuti corporei per la diagnosi e la ricerca.

Bawendi e l'ex ricercatore del MIT Oliver Bruns sono gli autori senior dello studio, che appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Gli autori principali del documento sono gli studenti laureati del MIT Jessica Carr e Daniel Franke.

Tagliando attraverso la nebbia

Il colorante utilizzato dai ricercatori in questo studio, noto come verde indocianina (ICG), fluorescente più intensamente intorno a 800 nanometri, che rientra nella gamma del vicino infrarosso. Quando iniettato nel corpo, viaggia attraverso il flusso sanguigno, rendendolo ideale per l'angiografia (la visualizzazione del sangue che scorre attraverso i vasi). Alcuni sistemi chirurgici assistiti da robot hanno incorporato l'imaging a fluorescenza NIR per aiutare a visualizzare i vasi sanguigni e altre caratteristiche anatomiche.

Il team del MIT ha scoperto l'utilità dell'ICG per l'imaging SWIR in modo un po' fortuito. Come parte di un esperimento di controllo per un altro articolo, hanno testato l'uscita della fluorescenza dei punti quantici rispetto all'uscita della fluorescenza dell'ICG nell'infrarosso a onde corte. Si aspettavano che l'ICG non avrebbe prodotto risultati, ma fummo sorpresi nello scoprire che in realtà produceva un segnale molto forte.

Il laboratorio di Bawendi e altri ricercatori sono interessati allo sviluppo di fluorofori per l'imaging SWIR perché SWIR offre un contrasto e una chiarezza migliori rispetto al NIR. La luce con lunghezze d'onda più corte tende a disperdersi dalle imperfezioni negli oggetti che colpisce, ma man mano che le lunghezze d'onda si allungano, la dispersione è notevolmente ridotta.

"Nel vicino infrarosso, molte delle caratteristiche che vedi nei tessuti possono sembrare appannate, e una volta che ti muovi nell'infrarosso a onde corte, l'immagine si schiarisce e tutto diventa nitido, "dice Bruns.

L'infrarosso a onde corte può anche penetrare più in profondità nei tessuti, pur calcolando esattamente fino a che punto è un processo complicato, dicono i ricercatori, perché dipende dalle dimensioni della struttura osservata e dal campo visivo del microscopio. Nel nuovo studio, i ricercatori sono stati in grado di vedere diverse centinaia di micrometri nel tessuto utilizzando un normale microscopio a fluorescenza. Normalmente, questa profondità può essere raggiunta solo con la microscopia a due fotoni, un tipo di imaging molto più complicato e costoso.

"Abbiamo scoperto che l'infrarosso a onde corte è particolarmente utile per l'imaging di piccoli oggetti che si trovano sopra un grande sfondo, quindi quando vuoi fare l'angiografia di piccoli vasi, o capillari, è molto più facile nell'infrarosso a onde corte che nel vicino infrarosso, "dice Frank.

Un segnale forte

Nel loro studio, i ricercatori hanno ulteriormente esplorato l'ICG e hanno dimostrato che fornisce un segnale più forte rispetto ad altri coloranti SWIR ora in fase di sviluppo. Precedenti studi sull'ICG si erano concentrati sulla sua emissione intorno agli 800 nanometri, dove è più luminoso, quindi nessuno aveva osservato che il colorante produceva anche un segnale forte a lunghezze d'onda maggiori. Sebbene non emetta una fluorescenza efficiente nella gamma dell'infrarosso a onde corte, L'ICG assorbe così tanta luce che se anche una piccola percentuale viene emessa come luce fluorescente, il segnale è più luminoso di quello prodotto da altri coloranti SWIR.

I ricercatori hanno anche scoperto che l'ICG è abbastanza luminoso da poter produrre immagini rapidamente, che è importante per catturare il movimento.

"Se non hai un segnale abbastanza forte, rallenta il tempo necessario per scattare l'immagine, quindi non puoi usarlo per l'imaging del movimento come il sangue che scorre o il battito del cuore, " dice Carr.

I ricercatori hanno anche testato un altro colorante che funziona nel vicino infrarosso. Questo colorante, chiamato IRDye 800CW, è simile all'ICG e può essere attaccato ad anticorpi che prendono di mira proteine ​​come quelle che si trovano sui tumori. Hanno scoperto che IRDye 800CW emette una brillante fluorescenza anche nella luce infrarossa a onde corte, pensato non così brillantemente come ICG, e hanno mostrato che potevano usarlo per visualizzare un tumore canceroso nel cervello dei topi.

Per eseguire l'imaging a infrarossi a onde corte, i laboratori di ricerca e gli ospedali dovrebbero passare dalle telecamere al silicio ora utilizzate per l'imaging NIR a una telecamera all'arseniuro di indio e gallio (InGaAs). Fino a poco tempo fa, queste fotocamere hanno un costo proibitivo, ma i prezzi sono diminuiti negli ultimi anni.

Il team di ricerca sta ora studiando ulteriormente perché l'ICG funziona così bene per l'imaging a infrarossi a onde corte, e sta cercando di identificare la lunghezza d'onda ottimale per il suo utilizzo, che sperano li aiuterà a determinare le migliori applicazioni per questo tipo di imaging. Stanno anche lavorando con altri laboratori per sviluppare coloranti simili all'ICG e che potrebbero funzionare anche meglio.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.