Разработка новых лекарственных препаратов часто включает в себя фазу их тестирования на мышах, поэтому возможность с помощью современных технических средств заглянуть во внутренности живой мыши имеет для ученых реальную ценность.

Но при использовании существующих в настоящее время флуоресцентных красителей для визуализации внутренних органов уже на глубине всего нескольких миллиметров от кожи изображение становится настолько тусклым, что ученые, пожалуй, получили бы больше полезной информации, если бы просто погадали на внутренностях грызуна.

Ученым Стэнфордского университета (Stanford university) удалось усовершенствовать метод флуоресцентной визуализации, используя флуоресцентные однослойные углеродные нанотрубки, позволяющие видеть внутренние органы мыши на глубине нескольких сантиметров гораздо более четко, чем обычные красители. Согласитесь, что для существа размером с мышь, несколько сантиметров – большая разница.

Профессор химии
Стэнфордского университета
Хонджи Дай (Hongjie Dai).
(Фото: news.stanford.edu)

«Мы уже используем подобные углеродные нанотрубки для доставки противораковых лекарственных препаратов в лабораторных экспериментах на мышах, но вам ведь хотелось бы узнать, куда попадает ваше лекарство, не правда ли?», – говорит профессор химии Хонджи Дай (Hongjie Dai), один из авторов статьи, опубликованной в Интернет издании журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. «Используя флуоресцентные нанотрубки, мы может одновременно осуществлять доставку препарата и визуализацию – в режиме реального времени, – чтобы оценить точность попадания препарата в его мишень».

Ученые вводят однослойные углеродные нанотрубки в кровь мыши и могут наблюдать за тем, как кровоток разносит их по внутренним органам животного.

В ответ на направленный на мышь свет лазера нанотрубки ярко флуоресцируют, в то время как камера, настроенная на длину волны излучения нанотрубок в ближней инфракрасной области спектра, записывает изображение.

Связав нанотрубки с лекарственным препаратом, исследователи могут видеть, как он распространяется по организму грызуна.

Нанотрубки излучают в другой части ближней инфракрасной области спектра, чем отличаются от большинства красителей, и это и есть ключ к их ценности как средства биовизуализации.

Биологические ткани – будь то мышь или человек – естественно флуоресцируют на длине волны меньше 900 нанометров, что близко к длине волны биосовместимых органических флуоресцентных красителей. Это приводит к нежелательной фоновой флуоресценции, создающей путаницу при использовании красителей. Но нанотрубки профессора Дая флуоресцируют на длине волны от 1000 до 1400 нанометров. На этих длинах практически не флуоресцирует ни одна ткань организма, поэтому фоновый «шум» минимален.

Польза от применения нанотрубок представляется еще большей, если учесть, что в области с большей длиной волны ближнего инфракрасного диапазона ткани рассеивают меньше света. Это снижает размывание изображения  – другое преимущество над флуорофорами, излучающими на волне короче 900 нм.

«Нанотрубки флуоресцируют естественно, но они излучают в очень необычной области», – объясняет Дай. «Не так уж много объектов – живых или неживых – излучают в этой области, почему она не слишком-то и изучалась с точки зрения ее использования для биологической визуализации».

Выбирая одностенные углеродные нанотрубки с различными диаметрами, хиральностями и другими свойствами, профессор Дай и его группа могут настроить длину волны их флуоресценции.

Нанотрубки отображаются сразу после их введение в кровь животных. Ученые наблюдают их прохождение через легкие и почки в пределах нескольких секунд после инъекции, а еще через несколько секунд начинают светиться селезенка и печень.

Профессор Дай и его коллеги еще более усовершенствовали свой метод, использовав процесс, называемый анализом главных компонент (principal component analysis).

На сырых изображениях селезенка, поджелудочная железа и почки могут быть представлены одним общим сигналом. Но этот процесс улавливает тонкие различия в его вариантах и разделяет на отдельные органы то, что сначала представлялось одним целым.

Улучшенное цветное флуоресцентное изображение на основе однослойных углеродных нанотрубок (справа) внутренних органов мыши в сравнении с соответствующей иллюстрацией (слева). На флуоресцентном изображении с левой стороны поджелудочная железа (тонкая зеленая полоска) зажата между почкой (желтая) и селезенкой (розовая). На иллюстрации почки оранжево-коричневые, селезенка  – цвета тыквы, поджелудочная железа едва видна в виде крошечного красного треугольника между этими двумя органами. (Фото: с разрешения Proceedings of the National Academy of Sciences USA ).

Существуют и другие методы визуализации, позволяющие получить изображение глубоких тканей организма, такие как магнитно-резонансная (МРТ) и компьютерная томография (КТ). Но флуоресцентная визуализация более распространена в исследовательской области и не требует такого сложного оборудования.

Флуоресцентные нанотрубки неспособны достичь глубины КТ- и МРТ-сканирования, но они – шаг вперед в выходе использования флуоресценции как системы визуализации за пределы поверхностной и околоповерхностной зон, которыми оно сейчас ограничено.

Ученые стараются сделать флуоресценцию нанотрубок ярче с тех самых пор, когда она была открыта около 10 лет назад. Тем не менее, профессор Дай даже немного удивлен тем, насколько хорошо она теперь работает на животных.

«Я не думал, что их действительно можно использовать на животных для получения таких глубоких изображений», – говорит он. «Когда смотришь на такой снимок, создается впечатление, что тело почти прозрачно».

Аннотация к статье

Deep-tissue anatomical imaging of mice using carbon nanotube fluorophores in the second near-infrared window