(Phys.org) —Una técnica de imágenes basada en colorantes conocida como microscopía de dos fotones puede producir imágenes de estructuras neuronales activas con mucho más detalle que las imágenes de resonancia magnética funcional, o resonancia magnética funcional, pero requiere láseres potentes y costosos. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Pennsylvania ha desarrollado un nuevo tipo de tinte que podría reducir el costo de la técnica en varios órdenes de magnitud.

El estudio fue dirigido por el profesor asociado Sergei Vinogradov y la investigadora postdoctoral Tatiana Esipova, ambos del Departamento de Bioquímica y Biofísica Molecular de la Facultad de Medicina Perelman de Penn, junto con Christopher Murray, profesor en los departamentos de Química de la Facultad de Artes y Ciencias y de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

Fue publicado en el Actas de las Academias Nacionales de Ciencias .

La microscopía de dos fotones implica el uso de un láser potente para disparar fotones rápidamente en un rayo altamente enfocado que puede atravesar tejido vivo. La energía combinada de un par de fotones infrarrojos que chocan con una molécula de un tinte marcador hace que tenga fluorescencia en el rango visible. Al escanear el foco del rayo sobre un espacio tridimensional, la fluorescencia del tinte puede revelar incluso las estructuras tridimensionales más pequeñas, como los capilares sanguíneos del cerebro e incluso las células individuales. Y mediante el uso de tintes sensibles a la química de procesos biológicos específicos, como el movimiento de iones de calcio que permite que las neuronas se activen, la técnica incluso se puede utilizar para la obtención de imágenes funcionales; puede sentir cambios en la actividad neuronal mientras un sujeto piensa.

"Es prácticamente la única forma de observar en profundidad células individuales o incluso estructuras subcelulares en el cerebro, ", Dijo Vinogradov." FMRI te da sólo regiones más grandes; no ves los detalles. Y muchas de las cosas que nos interesan sondear están muy juntas ".

El inconveniente de esta técnica es que los tintes disponibles actualmente requieren enormes cantidades de energía para producir imágenes utilizables. Los investigadores deben utilizar láseres de femtosegundos, que puede disparar un billón de pares de fotones por segundo. Estos láseres son muy caros, sin embargo, limitando las aplicaciones de la técnica de microscopía.

Una posible solución sería utilizar un tinte que tenga una fluorescencia más fácil. Para tal fin, Las nanopartículas hechas a partir de elementos lantánidos se han investigado durante mucho tiempo como sondas moleculares.

"Estas nanopartículas tienen una excitabilidad de un millón a 10 millones de veces mayor que los colorantes moleculares existentes, ", Dijo Vinogradov." Eso significa que para excitar estas nanopartículas, podría usar una fuente de luz que cueste más cerca de $ 200 en lugar de $ 200, 000 ".

El desafío consistía entonces en introducir nanopartículas de lantánidos en los tipos de tejidos que los investigadores querían estudiar. como el cerebro. Debido a que estas nanopartículas no son solubles, no se pueden inyectar de forma segura en el torrente sanguíneo. En lugar de fluir junto con la sangre, se sentarían en el fondo de los vasos sanguíneos, eventualmente formando un coágulo.

Otros grupos habían intentado aumentar la solubilidad de las nanopartículas envolviéndolas en hidrófilos, o amante del agua, polímeros. Estos polímeros son esencialmente hilos con una cola que es atraída por el agua y una cabeza que es atraída por la partícula. En teoria, la cabeza se uniría a la superficie de la nanopartícula y la cola interactuaría con el torrente sanguíneo, pero, porque la cuerda estaría unida a la partícula por un solo punto de contacto, podría caerse fácilmente. Agregar más sitios de unión de partículas a la cuerda resuelve un problema pero crea otro.

"Este tipo de cuerda se envuelve y se pega a la partícula, pero ninguna de sus partes hidrofílicas queda disponible para interactuar con el solvente, Vinogradov dijo:"Se adhiere a la nanopartícula pero no la hace significativamente más soluble".

Vinogradov y sus colegas adoptaron un enfoque diferente, formar polímeros dendríticos. Estos dendrímeros tienen múltiples ramas unidas a un núcleo, dándoles una forma esférica general.

"Imagina que tienes una pelota de tenis, y lo pegas a una pared recubierta de velcro. Porque es una pelota todavía hay una fracción significativa de su superficie que todavía está expuesta, ", Dijo Vinogradov." Tomamos las nanopartículas de lantánidos y cubrimos toda su superficie con estas bolas hidrófilas. Es un concepto geométrico muy simple ".

La unión de estos dendrímeros a nanopartículas fue posible gracias a la investigación anterior de Christopher Murray, lo que permitió un procedimiento especial para "imprimar" las superficies de las nanopartículas con una capa que facilita su interacción con los dendrímeros.

Los investigadores probaron la eficacia de este enfoque en un modelo de ratón. Comenzaron inyectando un tinte marcador convencional y usando un láser de femtosegundos para mapear la vasculatura de una sección del cerebro del ratón. Luego cambiaron a un láser que era un millón de veces más débil y mapearon la misma región nuevamente, previsiblemente sin producir fluorescencia. Finalmente, mantuvieron el mismo láser débil pero inyectaron las nanopartículas recubiertas de dendrímero, lo que permitió a los investigadores producir las mismas imágenes que en el primer ensayo.

"Esto significa que hicimos el mismo experimento que el láser de femtosegundos, pero con uno que cuesta cientos de miles de dólares menos, ", Dijo Vinogradov.

Este experimento fue la primera demostración del uso de nanopartículas de lantánidos en neuromiaging, así como el primer ejemplo de microscopía in vivo de dos fotones con simple, láseres económicos.