Los científicos que utilizan un enfoque único han desarrollado un nuevo agente de contraste de imágenes biomédicas. Dicen que el avance supera un gran desafío para "ver" más profundamente en el tejido vivo, y abre el camino para mejoras significativas en la tecnología de imágenes ópticas.

El desarrollo, como resultado de la colaboración internacional entre la Universidad de Fudan en China y la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS), tiene el potencial de llevar la resolución de imágenes biológicas más allá de lo que es posible actualmente con la tecnología de imágenes de TC y PET. La investigación se publica en Fotónica de la naturaleza .

Profesor Dayong Jin, autor principal del estudio y director del Instituto de Materiales y Dispositivos Biomédicos de la UTS (IBMD), dijo que "este resultado es un gran ejemplo que muestra cómo transformamos los avances en fotónica y ciencias de los materiales en biotecnologías revolucionarias en IBMD".

Los agentes de contraste óptico se utilizan principalmente para mejorar la visualización y diferenciación en tejidos y vasos sanguíneos tanto en entornos clínicos como de investigación.

Para optimizar el brillo de un agente de contraste, e iluminar eficientemente células individuales y biomoléculas, el desafío radica en superar una limitación en física, llamado "extinción de la concentración". Esto es causado por la relajación cruzada de energía entre emisores cuando están demasiado cerca unos de otros, de modo que tener demasiados emisores conduce a una atenuación del brillo general.

"El nuevo enfoque en esta investigación fue desbloquear el efecto de extinción de la concentración mediante el uso del elemento de tierras raras puro iterbio que solo tiene un único estado excitado para evitar la relajación cruzada entre sistemas", explicado por el profesor Jin, "para que una red de más de 5, 000 emisores de iterbio puro pueden condensarse estrechamente en un espacio de 10 nm de diámetro, mil veces más pequeño que una celda ".

A esta densidad de emisor, todos los posibles sitios de dopaje atómico están ocupados por iterbio dentro de la estructura de la red cristalina, y una vez debidamente pasivado (hecho no reactivo), por una fina capa de fluoruro de calcio biocompatible, el material está libre de enfriamiento por concentración.

"Esto permite que la eficiencia de la conversión fotónica se acerque al límite teórico del 100%. Esto no solo marca un nuevo récord en fotónica y ciencias de los materiales, pero también abre muchas aplicaciones potenciales ", Dijo el profesor Jin.

Autor principal del artículo, Señor Yuyang Gu, un doctorado estudiante de la Universidad de Fudan, dijo que "el uso de este nuevo agente de contraste en un modelo de ratón nos permitió ver a través de ratones enteros".

La física fundamental de las sondas fluorescentes utilizadas en la formación de imágenes ópticas significa que sólo hay una "ventana" [ventana de transparencia óptica] del infrarrojo cercano (NIR) estrechamente definida más allá de la cual la luz visible no puede penetrar el tejido. Diseñar un agente de contraste que absorba y emita en el NIR sin perder la energía es difícil.

"Aunque el iterbio tiene un nivel de 'energía pura' que ayuda a proteger los fotones absorbidos en la banda NIR antes de ser emitidos, con una pérdida de energía insignificante, el estado excitado simple solo permite emisiones en la banda muy similar de NIR, lo que hace que no sea práctico utilizar los filtros de color convencionales para discriminar las emisiones del entorno de alta dispersión de la excitación láser ", Dijo el profesor Jin.

"La investigación necesitaba 'nueva física'. Realmente teníamos que pensar fuera de la caja".

En lugar de "filtrar" espectralmente las emisiones de señales, Los investigadores emplearon además una técnica de resolución temporal que pausó la luz de excitación, y aprovechó la propiedad de "almacenamiento de fotones" de los emisores de iterbio, ralentizando la emisión de luz, lo suficientemente largo para permitir una separación más clara entre la excitación y la emisión de luz en el dominio del tiempo. El profesor Jin compara este fenómeno con el escenario cuando, después de apagar un televisor, la fluorescencia de larga duración de una imagen "fantasma" se ve como un resplandor en la oscuridad.

Durante los últimos cinco años, El profesor Jin y su equipo han desarrollado una biblioteca de Super Dots, ? -Puntos, Hyper Dots y Thermal Dots como sondas luminiscentes multifotónicas para aplicaciones de detección e imagen.

"Este resultado es otro salto cuántico, aportándonos un nuevo conjunto de capacidades de investigación hacia el desarrollo de sensores a nanoescala y sondas biomoleculares más eficientes y funcionales ", añadió el profesor Jin.

Investigador jefe de la Universidad de Fudan, El profesor Fuyou Li dijo:"Este es un 'nuevo' proceso luminiscente con alta eficiencia. Esperamos encontrar aplicaciones más adecuadas basadas en el ajuste fino del proceso de desintegración de este tipo de sondas".

El uso combinado de emisores de iterbio de alta densidad y el enfoque de resolución temporal significó que era posible maximizar el número de emisores, la eficiencia de conversión de luz y el brillo general del agente de contraste, y por lo tanto mejorando significativamente la sensibilidad de detección, resolución y profundidad.

El profesor Jin dijo que era otro ejemplo de cómo los avances en física pueden conducir al desarrollo de tecnologías médicas nuevas y mejoradas, citando la evolución, y revolución, en métodos de diagnóstico como radiografías, Imagen de TC y PET.