Обнаружение отдельной раковой клетки, оторвавшейся от опухоли и циркулирующей по всему организму с током крови с опасностью колонизировать новый орган, похоже на поиски иголки в стоге сена. Но новый метод визуализации, разработанный учеными Вашингтонского университета (University of Washington – UW) – первый шаг на пути к тому, чтобы сделать это возможным.

Ученые Вашингтонского университета разработали многофункциональную наночастицу, устраняющую фоновый шум и способную обеспечить более точную медицинскую визуализацию. По существу исследователи удаляют весь стог сена, и благодаря своему яркому блеску иголка становится отчетливо видна. Об успешной демонстрации основанной на фотоакустическом эффекте визуализации сообщается 27.07.2010 в журнале Nature Communications.

Наночастицы являются перспективными контрастирующими агентами для сверхчувствительной медицинской визуализации. Но при всех методах, не использующих радиоактивных меток, окружающие ткани, как правило, подавляют слабые сигналы, не давая возможности обнаружить одну или несколько отдельно взятых клеток.

«Несмотря на то, что ткани не так эффективно, как контрастирующие вещества, генерируют фоновый сигнал, он очень силен, так как количество ткани намного больше, чем количество контраста», – говорит ведущий автор исследования профессор биоинженерии Вашингтонского университета Сяоху Гао (Xiaohu Gao).

Вновь представленная учеными наночастица впервые решает эту проблему, сочетая в себе сразу два используемых для получения изображения свойства, что отличает этот метод от всего того, что до настоящего времени было предположено в области медицинской визуализации.

Для устранения фоновых шумов ученые объединили магнитные свойства своей частицы и фотоакустическую визуализацию. Для получения колебаний наночастиц за счет их магнитных ядер они применили пульсирующее магнитное поле. Затем, использовав методы обработки изображений, они удалили с фотоакустической картинки все, кроме вибрирующих пикселей.

Внешнее магнитное поле притягивает
наночастицы благодаря их магнитным ядрам.
Когда поле выключается, ткань расслабляется,
частицы возвращаются в исходное положение.
(Credit: Xiaohu Gao, University of Washington)

Гао сравнивает свой новый метод с «Tourist Remover» – программой для редактирования фотографий, которая позволяет фотографу удалять изображения других людей, соединив в один несколько снимков одного и того же места и сохранив только неподвижные части картинки. «Мы используем очень похожую стратегию», – говорит Гао. «Но вместо стационарных частей, мы сохраняем только движущиеся».

«Для получения колебаний частиц мы используем внешнее магнитное поле», – объясняет ученый. «Есть только один тип частиц, которые будут колебаться на частоте нашего магнитного поля – это наша собственная частица».

Эксперименты с искусственными тканями показали, что метод может практически полностью подавлять сильный фоновый сигнал. В дальнейшем ученые собираются продублировать полученные результаты на лабораторных животных.

30-нанометровая частица состоит их магнитного ядра из оксида железа и тонкой золотой оболочки, окружающей частицу, но не соприкасающейся с ее центром. Оболочка из золота поглощает инфракрасный свет и может быть использована для получения оптического изображения, проведения тепловой терапии или для связывания с биомолекулами, с помощью которых наночастица может быть захвачена определенными клетками.

30-нанометровая частица состоит из
магнитного ядра и тонкой золотой
оболочки, которая окружает частицу,
но не соприкасается с ее центром.
(Credit: Xiaohu Gao, University of Washington)

Группа Гао объединила эти функции в одной частице еще в предыдущих исследованиях, что очень трудно сделать из-за ее маленького размера.

«В наночастицах один плюс один часто меньше, чем два», – говорит Гао. «Наша предыдущая работа показала, что один плюс один может быть равно двум. Эта статья доказывает, что один плюс один, в конечном итоге, больше, чем два».

Первые методы биологической визуализации, появившиеся в 50-х годах прошлого века, использовались для определения анатомических структур внутри организма – для обнаружения опухолей и эмбрионов. Второе поколение – для функционального мониторинга. Например, функциональная магнитно-резонансная томография, fMRI, по использованию кислорода в мозге определяет картину его активности. Следующее поколение изображений будет визуализацией молекул, утверждает соавтор исследования Мэттью О’Доннелл (Matthew O’Donnell), профессор UW и декан инженерного факультета.

Это будет означать, что медицинские анализы и подсчет количества клеток можно будет производить внутри организма. Другими словами, вместо проведения биопсии и исследования тканей под микроскопом, визуализация сможет определять специфические белки или аномальную активность непосредственно в их источнике.

В верхнем ряду фотоакустические изображения, полученные с использованием золотых наностержней (слева), новой частицы ученых их UW, состоящей из магнитного ядра и оболочки из золота (в центре), и обычной магнитной наночастицы (справа). В нижнем ряду те же изображения после удаления невибрирующих пикселей. Полученное с помощью магнитного ядра наночастицы изображение сохраняет яркость благодаря ее золотой оболочке.
(Credit: Xiaohu Gao, University of Washington)

Но чтобы это произошло, необходимо повышение пределов достоверности визуализации.

«Сегодня, используя биомаркеры, мы можем увидеть, где находится большое количество больных клеток», – говорит О'Доннелл. «С помощью нашего метода можно достичь очень высокой степени точности, возможно, уровня одной клетки».

Исследователи протестировали и использовали метод фотоакустической визуализации – разрабатываемую сейчас недорогую технологию, чувствительную к незначительным изменениям свойств тканей и способную проникать в мягкие ткани на глубину нескольких сантиметров. Метод работает за счет импульсов лазерного излучения, слегка нагревающих клетку. Это тепло вызывает колебания клетки и образование ультразвуковых волн, которые распространяются по ткани к ее поверхности. Этот новый метод обязательно должен применяться и в других типах визуализации, считают авторы разработки.

Аннотация к статье: Yongdong Jin, Congxian Jia, Sheng-Wen Huang, Matthew O'Donnell, Xiaohu Gao. Multifunctional nanoparticles as coupled contrast agents