Многофункциональные наночастицы открывают новый тип биологической визуализации

Обнаружение единичной раковой клетки, оторвавшейся от опухоли и путешествующей с кровотоком для колонизации нового органа, подобно поиску иголки в стоге сена. Новая методика визуализации, разработанная в Университете Вашингтона, — первый шаг к тому, чтобы сделать это возможным.

Исследователи создали многофункциональную наночастицу, которая устраняет фоновый шум, обеспечивая более точную медицинскую визуализацию — по сути, «стирая» стог сена, чтобы игла стала видна. Успешная демонстрация метода с фотоакустической визуализацией была опубликована 27 июля в журнале Nature Communications.

Наночастицы — перспективные контрастные агенты для сверхчувствительной медицинской визуализации. Однако во всех методах, не использующих радиоактивные маркеры, окружающие ткани, как правило, заглушают слабые сигналы, не позволяя детектировать одну или несколько клеток.

«Хотя ткани и не так эффективны в генерации сигнала, как контрастный агент, их количество намного больше, поэтому фоновый сигнал очень высок», — пояснил ведущий автор Сяоху Гао, доцент биоинженерии.

Новая наночастица решает эту проблему, впервые объединяя два свойства для создания изображения, отличного от того, что могут дать существующие методы.

Частица сочетает магнитные свойства и фотоакустическую визуализацию для подавления фонового шума. Исследователи использовали пульсирующее магнитное поле, чтобы «встряхнуть» наночастицы за счёт их магнитных ядер. Затем они делали фотоакустическое изображение и с помощью обработки удаляли всё, кроме вибрирующих пикселей.

Гао сравнивает метод с фоторедактором «Tourist Remover», который позволяет фотографу удалить людей, комбинируя несколько снимков одной сцены и оставляя только неподвижные части изображения. «Мы используем очень похожую стратегию, но оставляем только движущуюся часть.

Мы используем внешнее магнитное поле, чтобы раскачивать частицы. Тогда только наши частицы будут колебаться с частотой нашего магнитного поля», — объяснил он.

Эксперименты с синтетической тканью показали, что метод может почти полностью подавить сильный фоновый сигнал. Следующим шагом будет воспроизведение результатов на лабораторных животных.

Частица размером 30 нанометров состоит из магнитного ядра из оксида железа и тонкой золотой оболочки, которая окружает, но не касается центра. Золотая оболочка поглощает инфракрасный свет и также может использоваться для оптической визуализации, термотерапии или присоединения биомолекулы для нацеливания на специфические клетки.

Ранее группа Гао уже комбинировала функции в одной наночастице, что сложно из-за её малого размера.

«В наночастицах один плюс один часто меньше двух. Наша предыдущая работа показала, что один плюс один может быть равен двум. Данная статья показывает, что один плюс один, наконец, больше двух», — отметил Гао.

Соавтор работы Мэтью О’Доннелл, профессор биоинженерии, отметил, что первое поколение биологической визуализации (1950-е) использовалось для определения анатомии, второе — для мониторинга функций (например, фМРТ). Следующее поколение будет молекулярной визуализацией.

Это позволит проводить медицинские анализы и подсчёт клеток внутри тела. Вместо биопсии и изучения ткани под микроскопом визуализация сможет детектировать специфические белки или аномальную активность в источнике.

Для этого необходимо улучшить пределы обнаружения. «Сегодня мы можем использовать биомаркеры, чтобы увидеть большое скопление больных клеток. Новая методика может обеспечить очень точный уровень, потенциально — единичной клетки», — сказал О’Доннелл.

Метод тестировали для фотоакустической визуализации — недорогого развивающегося метода, чувствительного к slight variations в свойствах тканей и способного проникать на несколько сантиметров в мягкие ткани. Он использует импульс лазерного света для лёгкого нагрева клетки, что вызывает её вибрацию и генерацию ультразвуковых волн. Авторы считают, что новая методика применима и к другим типам визуализации.