Un'immagine a colori migliorata della fluorescenza da nanotubi di carbonio a parete singola (a destra) mostra gli organi interni di un topo accanto a un'illustrazione di riferimento (a sinistra). Nell'immagine fluorescente, sul lato sinistro del mouse, il pancreas (sottile striscia verde) è inserito tra un rene (giallo) e la milza (rosa). Nell'immagine di riferimento, i reni sono marrone-arancione, la milza è color zucca e il pancreas è appena visibile come un minuscolo triangolo rosso tra gli altri due organi. Credito:riprodotto con il permesso di Proceedings of the National Academy of Sciences USA
Lo sviluppo di farmaci per combattere o curare le malattie umane spesso comporta una fase di test sui topi, quindi essere in grado di scrutare chiaramente nelle viscere di un topo vivente ha un valore reale.
Ma con i coloranti fluorescenti attualmente utilizzati per l'immagine dell'interno dei topi di laboratorio, la vista diventa così torbida diversi millimetri sotto la pelle che i ricercatori potrebbero avere più successo nel indovinare il futuro dalle interiora del roditore piuttosto che nell'estrarre dati utilizzabili.
Ora i ricercatori di Stanford hanno sviluppato un metodo di imaging migliorato utilizzando nanotubi di carbonio fluorescenti che consente loro di vedere centimetri di profondità in un topo con molta più chiarezza rispetto ai coloranti convenzionali. Per una creatura delle dimensioni di un topo, pochi centimetri fanno una grande differenza.
"Abbiamo già utilizzato nanotubi di carbonio simili per fornire farmaci per curare il cancro nei test di laboratorio sui topi, ma vorresti sapere dove è andata a finire la tua consegna, giusto?" disse Hongjie Dai, un professore di chimica. "Con i nanotubi fluorescenti, possiamo eseguire la somministrazione di farmaci e l'imaging contemporaneamente, in tempo reale, per valutare l'accuratezza di un farmaco nel raggiungere il suo obiettivo".
I ricercatori iniettano i nanotubi di carbonio a parete singola in un topo e possono osservare come i tubi vengono consegnati agli organi interni dal flusso sanguigno.
I nanotubi emettono una fluorescenza brillante in risposta alla luce di un laser diretto al topo, mentre una telecamera sintonizzata sulle lunghezze d'onda del vicino infrarosso dei nanotubi registra le immagini.
Attaccando i nanotubi a un farmaco, i ricercatori possono vedere come il farmaco sta progredendo attraverso il corpo del topo.
Dai è uno degli autori di un paper che descrive la ricerca pubblicata online questo mese in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
La chiave dell'utilità dei nanotubi è che brillano in una porzione diversa dello spettro del vicino infrarosso rispetto alla maggior parte dei coloranti.
I tessuti biologici, sia di topo che di esseri umani, emettono naturalmente fluorescenza a lunghezze d'onda inferiori a 900 nanometri, che è nella stessa gamma dei coloranti fluorescenti organici biocompatibili disponibili. Ciò si traduce in una fluorescenza di fondo indesiderata, che confonde le immagini quando vengono utilizzati i coloranti. Ma i nanotubi utilizzati dal gruppo di Dai emettono fluorescenza a lunghezze d'onda comprese tra 1, 000 e 1, 400 nanometri. A quelle lunghezze d'onda non c'è quasi nessuna fluorescenza naturale dei tessuti, quindi il "rumore" di fondo è minimo.
L'utilità dei nanotubi è ulteriormente potenziata perché il tessuto disperde meno luce nella regione della lunghezza d'onda maggiore del vicino infrarosso, ridurre le sbavature dell'immagine quando la luce si muove o viaggia attraverso il corpo, un altro vantaggio rispetto ai fluorofori che emettono sotto i 900 nm.
"I nanotubi emettono fluorescenza naturalmente, ma emettono in una regione molto strana, "Dai ha detto. "Non ci sono molte cose - viventi o inerti - che emettono in questa regione, ecco perché non è stato esplorato molto per l'imaging biologico".
Selezionando nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTS) con diversi diametri di chiralità e altre proprietà, Dai e il suo team possono mettere a punto la lunghezza d'onda alla quale i nanotubi diventano fluorescenti.
I nanotubi vengono ripresi immediatamente dopo l'iniezione nel flusso sanguigno dei topi.
Dai e studenti laureati Sarah Sherlock e Kevin Welsher, che sono anche coautori del PNAS carta, osservato i nanotubi fluorescenti che passano attraverso i polmoni ei reni pochi secondi dopo l'iniezione. La milza e il fegato si sono illuminati pochi secondi dopo.
Il gruppo ha anche svolto un lavoro di "post-produzione" su riprese video digitali dei nanotubi circolanti per migliorare ulteriormente la qualità dell'immagine utilizzando un processo chiamato "analisi dei componenti principali".
"Nelle immagini grezze, la milza, pancreas e rene potrebbero apparire come un segnale generalizzato, " ha detto Sherlock. "Ma questo processo raccoglie le sottigliezze nella variazione del segnale e risolve quello che a prima vista sembra essere un segnale negli organi distinti".
"Puoi davvero vedere cose che sono nel profondo o bloccate da altri organi come il pancreas, "Dì disse.
Esistono altri metodi di imaging che possono produrre immagini dei tessuti profondi, come la risonanza magnetica (MRI) e la tomografia computerizzata (TC). Ma l'imaging a fluorescenza è ampiamente utilizzato nella ricerca e richiede macchinari più semplici.
Dai ha detto che i nanotubi fluorescenti non sono in grado di raggiungere la profondità delle scansioni TC o MRI, ma i nanotubi sono un passo avanti nell'ampliare i potenziali usi della fluorescenza come sistema di imaging oltre la superficie e le applicazioni vicino alla superficie a cui è stato limitato fino ad ora.
Da quando la fluorescenza dei nanotubi è stata scoperta circa dieci anni fa, i ricercatori hanno cercato di rendere la fluorescenza più luminosa, Dai ha detto. Ancora, è rimasto un po' sorpreso di quanto bene ora funzionino negli animali.
"Non immaginavo potessero davvero essere usati negli animali per ottenere immagini profonde come queste, " ha detto. "Quando guardi immagini come questa, hai la sensazione che il corpo abbia quasi una certa trasparenza."
