(Phys.org) —Las imágenes fotoacústicas son una modalidad híbrida de imágenes biomédicas, basado en el efecto fotoacústico, en el que se envían pulsos de láser no ionizantes a los tejidos biológicos. (Más específicamente, en el efecto fotoacústico, las ondas sonoras se forman debido a cambios de presión cuando un material absorbe luz modulada o pulsada de intensidad variable. Estas ondas son luego detectadas por, por ejemplo, micrófonos o sensores piezoeléctricos. La señal fotoacústica resultante es la corriente o voltaje que proporciona el valor que indica cómo varían las ondas sonoras en el tiempo.) Recientemente, Los científicos de la Universidad de Stanford desarrollaron una nueva clase de agentes de contraste para imágenes moleculares fotoacústicas, a saber, nanopartículas de polímero semiconductor (SPN) que absorben luz del infrarrojo cercano (NIR) que producen una señal más fuerte que los nanotubos de carbono de pared simple y las nanovarillas de oro, propiedades que permitieron a los investigadores realizar mapeo fotoacústico de ganglios linfáticos de cuerpo entero en ratones de laboratorio vivos. Además, estas nanopartículas de polímero semiconductor poseen una alta flexibilidad estructural, Perfiles espectrales fotoacústicos estrechos y fuerte resistencia a la fotodegradación y oxidación:cualidades esenciales para el diseño de la primera sonda fotoacústica radiométrica del infrarrojo cercano para en vivo Imágenes en tiempo real de las especies reactivas de oxígeno (ROS) que median muchas enfermedades. En breve, los investigadores dicen, sus resultados muestran que las nanopartículas de polímeros semiconductores son la nanoplataforma perfecta para el desarrollo de sondas moleculares fotoacústicas.

El profesor Jianghong Rao discutió el documento que él, El Dr. Kanyi Pu y sus coautores publicaron en Nanotecnología de la naturaleza . "Primeramente, Hay varias propiedades ideales que debe tener una sonda de imagen fotoacústica, "Rao le dice a Phys.org." Estos son de baja o nula toxicidad, alta eficiencia fotoacústica, excelente fotoestabilidad y estabilidad química, absorción en longitud de onda infrarroja o infrarroja cercana para evitar la absorción de la luz de fondo del tejido y lograr una mejor penetración de la luz, y, para una sonda de imágenes moleculares, la capacidad de generar un contraste de imágenes fotoacústicas específico del objetivo ". Sin embargo, Rao continúa, Los agentes de contraste fotoacústicos actuales generalmente no cumplen con todos estos requisitos. tener una fotoestabilidad deficiente, mala estabilidad a la oxidación, o preocupaciones de toxicidad. Si bien las imágenes fotoacústicas prometen un avance significativo en la visualización fisiológica y patológica a nivel molecular con una penetración profunda en los tejidos y una resolución espacial fina, Primero se deben desarrollar sondas de formación de imágenes moleculares fotoacústicas.

Por otra parte, Rao señala que las nanopartículas de polímeros semiconductores ofrecen una serie de características atractivas, incluyendo ser un agente de contraste de imágenes fotoacústicas, sin uso de metales tóxicos, siendo biológicamente inerte, tener alta fotoestabilidad, son resistentes a la oxidación, y la capacidad de fabricarse con una alta absorción de luz infrarroja cercana. "La pregunta principal, " el explica, "fue si era eficiente para que las nanopartículas de polímero semiconductoras produjeran señales acústicas después de la excitación de la luz, y tuvimos que examinar el tipo de polímero para determinar esto. Todo esto dijo, el gran desafío para las sondas de imágenes fotoacústicas moleculares es si pueden producir una señal específica en respuesta a sus objetivos moleculares. Esto requiere un mecanismo de activación de señales controlado por el objetivo molecular ".

Al abordar estos desafíos, Rao dice que su idea clave fue que un polímero semiconductor se puede formular en una nanopartícula soluble en agua y, dependiendo de su estructura, las nanopartículas resultantes pueden ser muy eficientes para la formación de imágenes fotoacústicas. "Nuestra innovación clave en el diseño de nanopartículas de polímeros semiconductores en una sonda de imágenes moleculares fotoacústicas fue introducir imágenes radiométricas ampliamente utilizadas en imágenes de fluorescencia, ", dice. Las técnicas de imagen radiométrica observan cambios de longitud de onda de emisión de fluoróforos (compuestos químicos fluorescentes que pueden volver a emitir fotones al excitar la luz) o comparando la intensidad de emisión de una combinación de fluoróforos en lugar de medir meros cambios de intensidad". Al excitar la sonda en dos longitudes de onda diferentes, la activación del objetivo conduce al cambio en la señal fotoacústica en una longitud de onda, por lo que la relación de las señales en dos longitudes de onda cambiará en consecuencia. Esto nos permitió crear una señal fotoacústica específica del objetivo ".

Rao describe algunos de los hallazgos interesantes e importantes del artículo, comenzando con su demostración fundamental de que las nanopartículas de polímero semiconductor que absorben luz del infrarrojo cercano pueden servir como una nanoplataforma eficiente y estable para permitir que los fotones se utilicen para generar ondas de ultrasonido, permitiendo la obtención de imágenes moleculares fotoacústicas in vivo. "Las nanopartículas de polímero semiconductor pueden absorber una gran cantidad de luz infrarroja cercana, ", explica." La energía absorbida se disipa luego en forma de calor para generar ondas de sonido y estas ondas pueden ser detectadas por el transductor de ultrasonido y, a su vez, explotadas para obtener imágenes fotoacústicas. Abordar otro resultado:que las sondas de imágenes moleculares activables pueden experimentar una evolución de señal intrínseca al detectar objetivos o eventos moleculares, proporcionando una correlación en tiempo real entre los estados activados por sonda versus los no activados y los procesos patológicos a nivel molecular - Rao señala que en este estudio, la sonda produce señales fotoacústicas en dos longitudes de onda diferentes (700 nm y 820 nm) antes de la activación por la diana molecular ROS (especies reactivas de oxígeno). "Después de la activación, " él añade, "la señal a 820 nm se pierde, y la señal a 700 nm permanece. Por tanto, este cambio de señal refleja la presencia y actividad del objetivo. La adquisición de imágenes es rápida, por lo que la detección puede ser en tiempo real. La imagen captura el cambio molecular de la sonda que refleja la actividad del objetivo molecular ROS en la enfermedad ".

El documento enfatiza que la plena utilización del potencial de las imágenes fotoacústicas a una profundidad y resolución espacial que es inalcanzable por imágenes de fluorescencia requiere nuevos materiales susceptibles de construcción de sondas fotoacústicas activables. "Las sondas activables pueden permitirle a uno detectar eventos moleculares fisiológicos y patológicos, "Rao explica." Sin embargo, la mayoría de las sondas activables actuales se basan en la fluorescencia, que no proporciona la profundidad de imagen profunda y la alta resolución espacial que ofrece la imagen fotoacústica ".

Avanzando Rao dice, los científicos continúan explorando su aplicación para la obtención de imágenes, por ejemplo, Imagen fotoacústica del cáncer mediante la unión de una molécula dirigida al tumor a la nanopartícula. "Otra área será explorar más polímeros que absorban en diferentes longitudes de onda del infrarrojo cercano, " él añade, "permitiendo que se realicen múltiples imágenes de objetivos simultáneamente. Además, mientras que este trabajo demuestra la obtención de imágenes de especies reactivas de oxígeno, otras dianas moleculares, como el pH y las especies de enzimas, pueden tener imágenes similares ". Rao también señala que es posible que el nuevo enfoque se combine con la administración de fármacos, creando efectivamente los llamados teranóstica nanopartículas para aplicaciones sanitarias personalizadas mediante la prueba de los pacientes para detectar posibles reacciones a un nuevo medicamento, y luego adaptar un tratamiento para ellos en función de los resultados de la prueba.

Rao enumera una serie de aplicaciones que surgirán como resultado de su investigación. "Es muy probable que nuestra investigación conduzca al uso de nanopartículas semiconductoras para la obtención de imágenes fotoacústicas en modelos animales preclínicos". como la obtención de imágenes de ROS en ubicaciones de tejido profundo en enfermedades, ", dice." También podría conducir al desarrollo de otras sondas de imágenes fotoacústicas basadas en polímeros semiconductores, tanto las sondas de direccionamiento mediante la conjugación de un ligando de direccionamiento "(una molécula pequeña que forma un complejo con una biomolécula para cumplir un propósito biológico)" y las sondas activables señalizan la activación por dianas moleculares distintas de ROS ".

Respecto a otras áreas de investigación que podrían beneficiarse de su estudio, Rao le dice a Phys.org que el nuevo nanomaterial debería mejorar la capacidad de estudiar el cáncer, neurodegenerativo, cardiovascular, y muchas otras enfermedades en modelos animales, y ayudar a descubrir el papel de las RONS aberrantes (especies reactivas de oxígeno y nitrógeno) en estas enfermedades y contribuir al desarrollo de nuevas terapias. "Con la traducción de las imágenes fotoacústicas a las clínicas, "Rao concluye, "También se puede aplicar a la investigación clínica".

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