Een oplaadbare nanozaklamp: Afterglow-luminescentiebeeldvorming volgt celgebaseerde microrobots in realtime

Een nagloeiende luminescerende nanosonde opent nieuwe mogelijkheden voor het afbeelden van levende cellen. Als onderzoeksteam rapporten in het journaal Angewandte Chemie Internationale Editiekan hun nieuwe “nanotorch” na een enkele excitatie meer dan 10 dagen blijven oplichten.

Hierdoor kunnen de routes die microrobots door het lichaam afleggen in realtime worden gevolgd. Bovendien kan het contactloos worden “opgeladen” met nabij-infrarood (NIR) licht.

Macrofagen zijn belangrijke immuuncellen die bacteriën ‘opeten’ en ook betrokken zijn bij de verwijdering van kankercellen. Bovendien kunnen ze medicijnen opnemen en naar cellen transporteren, inclusief tumorcellen. Als ze magnetische nanodeeltjes opnemen, kunnen macrofagen door een magneet naar een doelgebied in het lichaam worden geleid, zoals een tumor. Hierdoor kunnen macrofaag-microrobots de bijwerkingen die gepaard gaan met chemotherapie verminderen.

Het zou nuttig zijn om de microrobots in de loop van de tijd te kunnen volgen terwijl ze door het lichaam bewegen. Er zijn technieken voor fluorescentiebeeldvorming overwogen, maar deze vereisen constante externe bestraling. Dit veroorzaakt een hoog niveau van achtergrondruis als gevolg van de autofluorescentie van veel biomoleculen. Bovendien beperkt de beperkte penetratiediepte van het zichtbare en UV-licht door weefsels die in het weefsel nodig is, de detectiediepte.

Een alternatief zou het gebruik van sondes kunnen zijn die vóór de procedure kunnen worden bestraald en een nagloeien kunnen veroorzaken. Anorganische nanodeeltjes met langdurige nagloeiing brengen echter het risico met zich mee dat zware metaalionen weglekken; terwijl organische verbindingen slechts korte tijd luminesceren en niet herhaaldelijk kunnen worden opgewonden.

Een team van het Shenzhen Institute of Advanced Technology, de Chinese Academie van Wetenschappen (China), dat samenwerkt met de Koç Universiteit (Turkije), heeft nu een ‘oplaadbare nanozaklamp’ ontwikkeld. Het bestaat uit meerdere componenten: nanodeeltjes van een voorloper van een lichtgevend organisch molecuul, fotosensibilisatoren (een hydrofoob analoog van methyleenblauw) en polyethyleenglycol uitgerust met celpenetrerende peptiden.

De fotosensitizer absorbeert NIR-licht en exciteert omringende zuurstofmoleculen. Deze zeer reactieve singletzuurstof bindt zich vervolgens aan de voorloper en vormt een dioxetaangroep, een vierledige ring gemaakt van twee zuurstof- en twee koolstofatomen. Dit ondergaat een herschikking waardoor het gewenste luminescerende molecuul vrijkomt en overtollige energie wordt afgegeven door luminescatie. Na de eerste bestraling blijven de nanofakkels nog tien dagen luminesceren.

Als de nanofakkels eenmaal leeg zijn, kunnen ze ‘op afstand’ worden opgeladen en weer gaan oplichten door externe straling met NIR-licht, dat meerdere keren diep in de weefsels kan doordringen. Dit vereist dat de relatieve hoeveelheden fotosensibilisator en luminescerende molecuulvoorloper zo worden gekozen dat slechts enkele van de voorlopers bij elke bestraling worden geactiveerd. Hierdoor is beeldvorming over langere tijd mogelijk.

Het Chinese team onder leiding van Pengfei Zhang, Ping Gong en Lintao Cai werkte samen met het Turkse team onder leiding van Safacan-Kolemen om deze nieuwe nanotorches te introduceren in op macrofagen gebaseerde microrobots en was in staat om hun magneetgeleide pad door de lichamen van muizen in het echt te volgen. tijd door de luminescentiesignalen.