In alto ci sono immagini fotoacustiche scattate per nanotubi d'oro (a sinistra), la nuova particella UW che ha un nucleo magnetico e un guscio d'oro circostante (al centro), e una semplice nanoparticella magnetica (a destra). Di seguito è riportata la stessa immagine dopo l'elaborazione per rimuovere i pixel che non vibrano con il campo magnetico. Il blob centrale viene trattenuto a causa del nucleo magnetico delle particelle ed è brillante grazie al guscio d'oro delle particelle. Credito:Xiaohu Gao, Università di Washington
Individuare una singola cellula cancerosa che si è liberata da un tumore e sta viaggiando attraverso il flusso sanguigno per colonizzare un nuovo organo potrebbe sembrare come trovare un ago in un pagliaio. Ma una nuova tecnica di imaging dell'Università di Washington è un primo passo per renderlo possibile.
I ricercatori UW hanno sviluppato una nanoparticella multifunzionale che elimina il rumore di fondo, consentendo una forma più precisa di imaging medico - essenzialmente cancellando il pagliaio, così l'ago traspare. Una dimostrazione di successo con l'imaging fotoacustico è stata riportata oggi (27 luglio) sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
Le nanoparticelle sono agenti di contrasto promettenti per l'imaging medico ultrasensibile. Ma in tutte le tecniche che non utilizzano traccianti radioattivi, i tessuti circostanti tendono a sopraffare i segnali deboli, impedendo ai ricercatori di rilevare solo una o poche cellule.
"Sebbene i tessuti non siano così efficaci nel generare un segnale quanto l'agente di contrasto, la quantità del tessuto è molto maggiore della quantità del mezzo di contrasto e quindi il segnale di fondo è molto alto, ", ha affermato l'autore principale Xiaohu Gao, un assistente professore di bioingegneria UW.
La nanoparticella appena presentata risolve questo problema combinando per la prima volta due proprietà per creare un'immagine diversa da quella che qualsiasi tecnica esistente avrebbe potuto produrre.
La nuova particella combina proprietà magnetiche e immagini fotoacustiche per cancellare il rumore di fondo. I ricercatori hanno utilizzato un campo magnetico pulsante per scuotere le nanoparticelle dai loro nuclei magnetici. Quindi hanno preso un'immagine fotoacustica e hanno usato tecniche di elaborazione delle immagini per rimuovere tutto tranne i pixel vibranti.
Un campo magnetico esterno attrae le nanoparticelle tramite i loro nuclei magnetici. Quando il campo è spento, il tessuto si rilassa e le particelle ritornano nelle loro posizioni iniziali. Credito:Xiaohu Gao, Università di Washington
Gao confronta la nuova tecnica con il software di fotoritocco "Tourist Remover" che consente a un fotografo di eliminare altre persone combinando più foto della stessa scena e mantenendo solo le parti dell'immagine che non si muovono. "Stiamo usando una strategia molto simile, " Gao ha detto. "Invece di mantenere le parti fisse, manteniamo solo la parte mobile.
"Usiamo un campo magnetico esterno per scuotere le particelle, " ha spiegato. "Allora c'è solo un tipo di particella che tremerà alla frequenza del nostro campo magnetico, che è la nostra particella."
Gli esperimenti con il tessuto sintetico hanno mostrato che la tecnica può sopprimere quasi completamente un forte segnale di fondo. Il lavoro futuro cercherà di duplicare i risultati negli animali da laboratorio, ha detto Gao.
La particella da 30 nanometri è costituita da un nucleo magnetico di ossido di ferro con un sottile guscio d'oro che circonda ma non tocca il centro. Il guscio d'oro viene utilizzato per assorbire la luce infrarossa, e potrebbe essere utilizzato anche per l'imaging ottico, erogare la terapia del calore, o attaccando una biomolecola che si aggrapperebbe a cellule specifiche.
Il lavoro precedente del gruppo di Gao combinava le funzioni in una singola nanoparticella, qualcosa che è difficile a causa delle piccole dimensioni.
"Nelle nanoparticelle, uno più uno spesso fa meno di due, " Gao ha detto. "Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che uno più uno può essere uguale a due. Questo documento mostra che uno più uno è, finalmente, maggiore di due".
La particella da 30 nanometri è costituita da un nucleo magnetico e da un sottile guscio d'oro, analogo a un guscio d'uovo, che circonda ma non tocca il centro. Credito:Xiaohu Gao, Università di Washington
Il primo imaging biologico, negli anni Cinquanta, è stato utilizzato per identificare l'anatomia all'interno del corpo, individuare tumori o feti. La seconda generazione è stata utilizzata per monitorare la funzione - fMRI, o risonanza magnetica funzionale, Per esempio, rileva l'uso di ossigeno nel cervello per produrre un'immagine dell'attività cerebrale. La prossima generazione di imaging sarà l'imaging molecolare, ha detto il co-autore Matthew O'Donnell, un professore UW di bioingegneria e decano di ingegneria.
Ciò significa che i test medici e il conteggio delle cellule possono essere eseguiti all'interno del corpo. In altre parole, invece di fare una biopsia e ispezionare i tessuti al microscopio, l'imaging potrebbe rilevare proteine specifiche o attività anomale alla fonte.
Ma fare in modo che ciò accada significa migliorare i limiti di confidenza dell'imaging.
"Oggi, possiamo usare i biomarcatori per vedere dove c'è una grande collezione di cellule malate, " O'Donnell ha detto. "Questa nuova tecnica potrebbe farti scendere a un livello molto preciso, potenzialmente di una singola cellula."
I ricercatori hanno testato il metodo per l'imaging fotoacustico, un metodo a basso costo in fase di sviluppo che è sensibile a leggere variazioni nelle proprietà dei tessuti e può penetrare diversi centimetri nei tessuti molli. Funziona utilizzando un impulso di luce laser per riscaldare leggermente una cella. Questo calore fa vibrare la cellula e produce onde ultrasoniche che viaggiano attraverso il tessuto fino alla superficie del corpo. La nuova tecnica dovrebbe applicarsi anche ad altri tipi di imaging, hanno detto gli autori.
