(Phys.org) — L'imaging fotoacustico è una modalità di imaging biomedico ibrida, in base all'effetto fotoacustico, in cui gli impulsi laser non ionizzanti vengono consegnati nei tessuti biologici. (Più specificamente, nell'effetto fotoacustico le onde sonore si formano a causa delle variazioni di pressione quando un materiale assorbe luce modulata o pulsata di intensità variabile. Queste onde vengono poi rilevate da, Per esempio, microfoni o sensori piezoelettrici. Il segnale fotoacustico risultante è la corrente o la tensione che fornisce il valore che indica come le onde sonore variano nel tempo.) Recentemente, gli scienziati della Stanford University hanno sviluppato una nuova classe di agenti di contrasto per l'imaging molecolare fotoacustico, vale a dire, nanoparticelle polimeriche semiconduttrici (SPN) che assorbono la luce nel vicino infrarosso (NIR) che producono un segnale più forte rispetto ai nanotubi di carbonio a parete singola e ai nanotubi d'oro - proprietà che hanno permesso ai ricercatori di eseguire la mappatura fotoacustica dei linfonodi di tutto il corpo su topi di laboratorio viventi. Inoltre, queste nanoparticelle polimeriche semiconduttrici possiedono un'elevata flessibilità strutturale, profili spettrali fotoacustici stretti e forte resistenza alla fotodegradazione e all'ossidazione - qualità essenziali per la progettazione della prima sonda fotoacustica raziometrica nel vicino infrarosso per in vivo imaging in tempo reale delle specie reattive dell'ossigeno (ROS) che mediano molte malattie. In breve, dicono i ricercatori, i loro risultati mostrano che le nanoparticelle polimeriche semiconduttrici sono la nanopiattaforma perfetta per lo sviluppo di sonde molecolari fotoacustiche.

Il prof. Jianghong Rao ha discusso il documento che lui, Il Dr. Kanyi Pu e i loro coautori pubblicati in Nanotecnologia della natura . "In primo luogo, ci sono diverse proprietà ideali che una sonda per immagini fotoacustiche dovrebbe avere, " Rao dice a Phys.org. "Queste sono nessuna o bassa tossicità, alta efficienza fotoacustica, eccellente fotostabilità e stabilità chimica, assorbimento nella lunghezza d'onda dell'infrarosso o del vicino infrarosso per evitare l'assorbimento della luce di fondo del tessuto e ottenere una migliore penetrazione della luce, e, per una sonda di imaging molecolare, la capacità di generare un contrasto di imaging fotoacustico specifico per il target." Tuttavia, Rao continua, gli attuali mezzi di contrasto fotoacustici generalmente non soddisfano tutti questi requisiti, avendo una scarsa fotostabilità, scarsa stabilità all'ossidazione, o problemi di tossicità. Mentre l'imaging fotoacustico promette di far avanzare significativamente la visualizzazione fisiologica e patologica a livello molecolare con la penetrazione profonda dei tessuti e la risoluzione spaziale fine, prima devono essere sviluppate sonde fotoacustiche di imaging molecolare.

D'altra parte, Rao osserva che le nanoparticelle polimeriche semiconduttrici offrono una serie di caratteristiche interessanti, compreso l'essere un agente di contrasto per immagini fotoacustiche, nessun uso di metalli tossici, essendo biologicamente inerte, avendo un'elevata fotostabilità, sono resistenti all'ossidazione, e la possibilità di essere realizzati con un elevato assorbimento della luce nel vicino infrarosso. "La domanda principale, " lui spiega, "era se fosse efficiente per le nanoparticelle polimeriche semiconduttrici produrre segnali acustici dopo l'eccitazione della luce - e abbiamo dovuto esaminare il tipo di polimero per determinarlo. Tutto questo ha detto, la grande sfida per le sonde di imaging fotoacustico molecolare è se possono produrre un segnale specifico in risposta ai loro bersagli molecolari. Ciò richiede un meccanismo di attivazione del segnale controllato dal bersaglio molecolare".

Nell'affrontare queste sfide, Rao afferma che la loro intuizione chiave era che un polimero semiconduttore può essere formulato in una nanoparticella solubile in acqua e, a seconda della sua struttura, le nanoparticelle risultanti possono essere altamente efficienti per l'imaging fotoacustico. "La nostra innovazione chiave nella progettazione di nanoparticelle polimeriche semiconduttrici in una sonda di imaging molecolare fotoacustico è stata quella di introdurre l'imaging raziometrico ampiamente utilizzato nell'imaging a fluorescenza, " dice. Le tecniche di imaging raziometrico osservano gli spostamenti della lunghezza d'onda di emissione dei fluorofori (composti chimici fluorescenti che possono riemettere fotoni dopo l'eccitazione della luce) o confrontando l'intensità di emissione di una combinazione di fluorofori invece di misurare semplici cambiamenti di intensità. "Eccitando la sonda a due diverse lunghezze d'onda, l'attivazione del bersaglio porta alla variazione del segnale fotoacustico ad una lunghezza d'onda, quindi il rapporto dei segnali a due lunghezze d'onda cambierà di conseguenza. Questo ci ha permesso di creare un segnale fotoacustico specifico per il target".

Rao descrive alcuni dei risultati interessanti e importanti del documento, a partire dalla loro dimostrazione fondamentale che le nanoparticelle polimeriche semiconduttrici che assorbono la luce nel vicino infrarosso possono fungere da nanopiattaforma efficiente e stabile per consentire l'utilizzo di fotoni per generare onde ultrasoniche, permettendo l'imaging molecolare fotoacustico in vivo. "Le nanoparticelle polimeriche semiconduttrici possono assorbire una grande quantità di luce nel vicino infrarosso, " spiega. "L'energia assorbita viene poi dissipata sotto forma di calore per generare onde sonore e queste onde possono essere rilevate dal trasduttore ad ultrasuoni e a loro volta sfruttate per l'imaging fotoacustico. Affrontare un altro risultato:le sonde di imaging molecolare attivabili possono subire un'evoluzione intrinseca del segnale al rilevamento di bersagli o eventi molecolari, fornendo una correlazione in tempo reale tra gli stati attivati ​​dalla sonda rispetto a quelli non attivati ​​e i processi patologici a livello molecolare – Rao sottolinea che in questo studio, la sonda produce segnali fotoacustici a due diverse lunghezze d'onda (700 nm e 820 nm) prima dell'attivazione da parte del bersaglio molecolare ROS (specie reattive dell'ossigeno). "Dopo l'attivazione, " Aggiunge, "il segnale a 820 nm è perso, e il segnale a 700 nm rimane. Quindi questo cambiamento di segnale riflette la presenza e l'attività del bersaglio. L'acquisizione delle immagini è veloce, quindi il rilevamento può essere in tempo reale. L'imaging cattura il cambiamento molecolare della sonda che riflette l'attività del bersaglio molecolare ROS nella malattia".

L'articolo sottolinea che il pieno utilizzo del potenziale dell'imaging fotoacustico a una profondità e una risoluzione spaziale irraggiungibili dall'imaging a fluorescenza richiede nuovi materiali suscettibili di costruzione di sonde fotoacustiche attivabili. "Le sonde attivabili possono consentire di rilevare eventi molecolari fisiologici e patologici, " Rao spiega. "Tuttavia, la maggior parte delle attuali sonde attivabili si basa sulla fluorescenza, che non fornisce la profondità di imaging profonda e l'elevata risoluzione spaziale che l'imaging fotoacustico offre."

Andando avanti, Rao dice, gli scienziati stanno continuando a esplorare la loro applicazione per l'imaging, ad esempio imaging fotoacustico del cancro attaccando una molecola mirata al tumore alla nanoparticella. "Un'altra area sarà quella di esplorare più polimeri che assorbono a diverse lunghezze d'onda del vicino infrarosso, " Aggiunge, "consentendo di eseguire simultaneamente l'imaging di più target. Inoltre, mentre questo lavoro dimostra l'imaging di specie reattive dell'ossigeno, altri bersagli molecolari, come pH e specie enzimatiche, può essere ripreso in modo simile." Rao sottolinea inoltre che potrebbe essere possibile combinare il nuovo approccio con la somministrazione di farmaci, creando efficacemente i cosiddetti teranostico nanoparticelle per applicazioni sanitarie personalizzate testando i pazienti per possibili reazioni a un nuovo farmaco, e quindi personalizzare un trattamento per loro in base ai risultati del test.

Rao elenca una serie di applicazioni che emergeranno come risultato della loro ricerca. "La nostra ricerca porterà molto probabilmente all'uso di nanoparticelle semiconduttrici per l'imaging fotoacustico su modelli animali preclinici, come l'imaging ROS in sedi dei tessuti profondi nelle malattie, ", dice. "Potrebbe anche portare allo sviluppo di altre sonde per immagini fotoacustiche a base di polimeri semiconduttori, sia le sonde di targeting coniugando un ligando di targeting" (una piccola molecola che forma un complesso con una biomolecola per servire uno scopo biologico) "e le sonde attivabili segnalano l'attivazione da parte di bersagli molecolari diversi dai ROS".

Per quanto riguarda altre aree di ricerca che potrebbero trarre vantaggio dal loro studio, Rao dice a Phys.org che il nuovo nanomateriale dovrebbe migliorare la capacità di studiare il cancro, neurodegenerativo, cardiovascolare, e molte altre malattie in modelli animali, e aiutano a scoprire il ruolo delle RONS aberranti (specie reattive dell'ossigeno e dell'azoto) in queste malattie e contribuiscono allo sviluppo di nuove terapie. "Con la traduzione dell'imaging fotoacustico nelle cliniche, "Rao conclude, "può essere applicato anche alla ricerca clinica".

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