Gli scienziati che utilizzano un approccio unico hanno sviluppato un nuovo agente di contrasto per immagini biomediche. Dicono che la svolta superi una grande sfida per "vedere" più in profondità nei tessuti vivi, e apre la strada a miglioramenti significativi nella tecnologia di imaging ottico.

Lo sviluppo, risultato della collaborazione internazionale tra la Fudan University in Cina e la University of Technology Sydney (UTS), ha il potenziale per portare la risoluzione del bio-imaging oltre ciò che è attualmente possibile con la tecnologia di imaging TC e PET. La ricerca è pubblicata su Fotonica della natura .

Professor Dayong Jin, autore senior dello studio e direttore dell'UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), ha detto "questo risultato è un grande esempio che mostra come trasformiamo i progressi nella fotonica e nelle scienze dei materiali in biotecnologie rivoluzionarie all'IBMD".

Gli agenti di contrasto ottici vengono utilizzati principalmente per migliorare la visualizzazione e la differenziazione nei tessuti e nei vasi sanguigni in contesti sia clinici che di ricerca.

Per ottimizzare la luminosità di un mezzo di contrasto, e per illuminare in modo efficiente singole cellule e biomolecole, la sfida sta nel superare un limite della fisica, chiamato "spegnimento della concentrazione". Ciò è causato dal rilassamento incrociato di energia tra gli emettitori quando sono troppo vicini l'uno all'altro, per cui avere troppi emettitori porta ad un'estinzione della luminosità complessiva.

"Il nuovo approccio in questa ricerca è stato quello di sbloccare l'effetto di spegnimento della concentrazione utilizzando l'itterbio puro elemento di terre rare che ha solo un singolo stato eccitato per evitare il rilassamento incrociato tra i sistemi", spiegato dal professor Jin, "in modo che una rete di oltre 5, 000 emettitori di itterbio puro possono essere strettamente condensati in uno spazio di 10 nm di diametro, mille volte più piccolo di una cella".

A questa densità di emettitore tutti i possibili siti di drogaggio atomico sono occupati da itterbio all'interno della struttura del reticolo cristallino, e una volta opportunamente passivato (reso non reattivo), da un sottile strato di fluoruro di calcio biocompatibile, il materiale è privo di tempra per concentrazione.

"Ciò consente all'efficienza della conversione della fotonica di avvicinarsi al limite teorico del 100%. Questo non solo segna un nuovo record nella fotonica e nelle scienze dei materiali, ma apre anche molte potenziali applicazioni", ha detto il professor Jin.

Autore principale della carta, Signor Yuyang Gu, un dottorato di ricerca studente all'Università Fudan, ha detto "l'utilizzo di questo nuovo agente di contrasto in un modello murino ci ha permesso di vedere attraverso topi interi".

La fisica fondamentale delle sonde fluorescenti utilizzate nell'imaging ottico significa che esiste solo una "finestra" del vicino infrarosso (NIR) [finestra di trasparenza ottica] oltre la quale la luce visibile non può penetrare nei tessuti. Progettare un agente di contrasto che assorba ed emetta nel NIR senza perdere energia è difficile.

"Sebbene l'itterbio abbia un livello di 'energia pura' che aiuta a proteggere i fotoni assorbiti nella banda NIR prima di essere emessi, con trascurabile perdita di energia, il semplice stato eccitato consente solo emissioni nella banda molto simile di NIR, il che rende impraticabile l'uso dei filtri colorati convenzionali per discriminare le emissioni dall'ambiente altamente dispersivo dell'eccitazione laser", ha detto il professor Jin.

"La ricerca aveva bisogno di 'nuova fisica'. Dovevamo davvero pensare fuori dagli schemi".

Invece di "filtrare" spettralmente le emissioni del segnale, i ricercatori hanno inoltre impiegato una tecnica risolta nel tempo che metteva in pausa la luce di eccitazione, e ha sfruttato la proprietà di "immagazzinamento di fotoni" degli emettitori di itterbio, rallentando l'emissione della luce, sufficientemente lungo da consentire una separazione più netta tra eccitazione ed emissione di luce nel dominio del tempo. Il professor Jin paragona questo fenomeno allo scenario in cui, dopo aver spento un televisore, la fluorescenza di lunga durata di un'immagine "fantasma" è vista come un bagliore nell'oscurità.

Negli ultimi cinque anni, Il professor Jin e il suo team hanno sviluppato una libreria di Super Dots, ?-Punti, Hyper Dots e Thermal Dots come sonde luminescenti multifotone per applicazioni di rilevamento e imaging.

"Questo risultato è un altro salto di qualità, portandoci una nuova serie di capacità di ricerca verso lo sviluppo di sensori su nanoscala e sonde biomolecolari più efficienti e funzionali", ha aggiunto il professor Jin.

Investigatore capo dell'Università di Fudan, Il professor Fuyou Li ha dichiarato:"Questo è un 'nuovo' processo luminescente ad alta efficienza. Speriamo di trovare applicazioni più adatte basate sulla messa a punto del processo di decadimento di questo tipo di sonde".

L'uso combinato di un'alta densità di emettitori di itterbio e un approccio risolto nel tempo ha consentito di massimizzare il numero di emettitori, l'efficienza di conversione della luce e la luminosità complessiva del mezzo di contrasto, e quindi migliorando significativamente la sensibilità di rilevamento, risoluzione e profondità.

Il professor Jin ha affermato che è stato un altro esempio di come le scoperte nella fisica possono portare allo sviluppo di tecnologie mediche nuove e migliorate citando l'evoluzione, e rivoluzione, in metodi diagnostici come i raggi X, Imaging TC e PET.