En la parte superior hay imágenes fotoacústicas tomadas para nanobarras de oro (izquierda), la nueva partícula UW que tiene un núcleo magnético y una capa de oro circundante (centro), y una nanopartícula magnética simple (derecha). A continuación se muestra la misma imagen después del procesamiento para eliminar los píxeles que no vibran con el campo magnético. La mancha central se retiene debido al núcleo magnético de las partículas y es brillante debido a la capa de oro de las partículas. Crédito:Xiaohu Gao, Universidad de Washington
Detectar una sola célula cancerosa que se ha liberado de un tumor y viaja por el torrente sanguíneo para colonizar un nuevo órgano puede parecer como encontrar una aguja en un pajar. Pero una nueva técnica de imágenes de la Universidad de Washington es un primer paso para hacer esto posible.
Los investigadores de la UW han desarrollado una nanopartícula multifuncional que elimina el ruido de fondo, permitiendo una forma más precisa de imágenes médicas, esencialmente borrando el pajar, para que la aguja brille. Una demostración exitosa con imágenes fotoacústicas se informó hoy (27 de julio) en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Las nanopartículas son agentes de contraste prometedores para imágenes médicas ultrasensibles. Pero en todas las técnicas que no utilizan trazadores radiactivos, los tejidos circundantes tienden a abrumar las señales débiles, impidiendo que los investigadores detecten solo una o unas pocas células.
"Aunque los tejidos no son tan eficaces para generar una señal como el agente de contraste, la cantidad de tejido es mucho mayor que la cantidad de agente de contraste y, por lo tanto, la señal de fondo es muy alta, "dijo el autor principal Xiaohu Gao, profesor asistente de bioingeniería de la Universidad de Washington.
La nanopartícula recién presentada resuelve este problema al combinar por primera vez dos propiedades para crear una imagen diferente de la que podría haber producido cualquier técnica existente.
La nueva partícula combina propiedades magnéticas e imágenes fotoacústicas para borrar el ruido de fondo. Los investigadores utilizaron un campo magnético pulsante para sacudir las nanopartículas mediante sus núcleos magnéticos. Luego tomaron una imagen fotoacústica y utilizaron técnicas de procesamiento de imágenes para eliminar todo excepto los píxeles vibrantes.
Un campo magnético externo atrae las nanopartículas por sus núcleos magnéticos. Cuando el campo está apagado, el tejido se relaja y las partículas vuelven a sus posiciones iniciales. Crédito:Xiaohu Gao, Universidad de Washington
Gao compara la nueva técnica con el software de edición de fotos "Tourist Remover" que permite a un fotógrafo eliminar a otras personas combinando varias fotos de la misma escena y manteniendo solo las partes de la imagen que no se mueven. "Estamos utilizando una estrategia muy similar, "Dijo Gao." En lugar de mantener las partes estacionarias, solo nos queda la parte móvil.
"Usamos un campo magnético externo para sacudir las partículas, ", explicó." Entonces, solo hay un tipo de partícula que se agitará a la frecuencia de nuestro campo magnético, que es nuestra propia partícula ".
Los experimentos con tejido sintético mostraron que la técnica puede suprimir casi por completo una fuerte señal de fondo. El trabajo futuro intentará duplicar los resultados en animales de laboratorio, Dijo Gao.
La partícula de 30 nanómetros consta de un núcleo magnético de óxido de hierro con una fina capa de oro que rodea pero no toca el centro. La cáscara de oro se utiliza para absorber la luz infrarroja, y también podría usarse para imágenes ópticas, administrando terapia de calor, o adherir una biomolécula que se adhiera a células específicas.
El trabajo anterior del grupo de Gao combinó funciones en una sola nanopartícula, algo que es difícil por el pequeño tamaño.
"En nanopartículas, uno más uno es a menudo menos que dos, "Dijo Gao." Nuestro trabajo anterior mostró que uno más uno puede ser igual a dos. Este documento muestra que uno más uno es, finalmente, mayor que dos ".
La partícula de 30 nanómetros consta de un núcleo magnético y una fina capa de oro, análogo a una cáscara de huevo, que rodea pero no toca el centro. Crédito:Xiaohu Gao, Universidad de Washington
La primera imagen biológica, en la década de 1950, se utilizó para identificar la anatomía dentro del cuerpo, detectar tumores o fetos. La segunda generación se ha utilizado para monitorear la función:fMRI, o resonancia magnética funcional, por ejemplo, detecta el uso de oxígeno en el cerebro para producir una imagen de la actividad cerebral. La próxima generación de imágenes será la imagen molecular, dijo el coautor Matthew O'Donnell, profesor de bioingeniería e ingeniería de la Universidad de Washington.
Esto significará que se pueden realizar análisis médicos y recuentos de células dentro del cuerpo. En otras palabras, en lugar de tomar una biopsia e inspeccionar el tejido bajo un microscopio, las imágenes podrían detectar proteínas específicas o actividad anormal en la fuente.
Pero hacer que esto suceda significa mejorar los límites de confianza de las imágenes.
"Hoy dia, podemos usar biomarcadores para ver dónde hay una gran colección de células enfermas, "O'Donnell dijo." Esta nueva técnica podría llevarlo a un nivel muy preciso, potencialmente de una sola célula ".
Los investigadores probaron el método para obtener imágenes fotoacústicas, Actualmente se está desarrollando un método de bajo costo que es sensible a ligeras variaciones en las propiedades de los tejidos y puede penetrar varios centímetros en los tejidos blandos. Funciona mediante el uso de un pulso de luz láser para calentar una celda muy ligeramente. Este calor hace que la célula vibre y produzca ondas de ultrasonido que viajan a través del tejido hasta la superficie del cuerpo. La nueva técnica también debería aplicarse a otros tipos de imágenes, dijeron los autores.
