Kleine lichtgevende sondes geven onderzoekers een betere optie voor niet-invasieve beeldvorming van levend weefsel

Een polymeer dat op maat is ontworpen om licht te produceren dat in duistere omgevingen doordringt, is veelbelovend gebleken in bioimaging-onderzoeken, waar het deeltjes van nanoformaat kan detecteren onder het oppervlak van realistische weefselmodellen.

Recente studies hebben aangetoond dat fluorescerende sondes – lichtgevende materialen die hechten aan kleine doelen zoals cellen – bijzonder nuttig zijn voor bioimaging wanneer ze uitstralen in het kortegolf-infrarood (SWIR) -gebied van het optische spectrum. Omdat dit type fluorescerend licht dieper in biologische objecten doordringt zonder te worden geabsorbeerd of verstrooid, kunnen SWIR-sondes verder in het weefsel worden gespot dan conventionele stralers. Dankzij deze functies kunnen SWIR-sondes beelden met hoge resolutie vastleggen van structuren die zich diep in het lichaam bevinden, zoals hersenweefsel, zonder de gevaren van röntgenstraling.

Satoshi Habuchi en zijn collega’s werken aan het verbeteren van fluorescerende beeldvorming door het type sondes uit te breiden dat SWIR-straling kan produceren. Momenteel zijn de meeste heldere SWIR-zenders ofwel halfgeleider-kwantumdots of met zeldzame aarde gedoteerde nanodeeltjes die vanwege hun toxische bijwerkingen ongeschikt zijn voor veel exemplaren. Aan de andere kant zijn materialen die meer biocompatibel zijn, zoals organische kleurstoffen, meestal niet intens genoeg om in weefsel te worden gezien.

Om dit probleem op te lossen, wendden KAUST-onderzoekers zich tot polymeren met “donor-acceptor” -structuren, een lay-out waarin elektronenrijke componenten worden afgewisseld met elektronenarme delen langs een geleidende moleculaire keten. “Deze verdeling bevordert de ladingsoverdracht langs de polymeerruggengraat, wat een zeer effectieve manier is om SWIR-licht te verkrijgen”, legt Hubert Piwoński, de hoofdauteur van het onderzoek, uit.

Het team koos twee donor-acceptorpolymeren met ideale eigenschappen voor SWIR-emissie en ontwikkelde vervolgens een precipitatieprocedure die de verbindingen versmolten tot minuscule polymeerbolletjes, of “puntjes”, van slechts enkele nanometers breed. Optische karakteriseringen toonden aan dat deze materialen uitzonderlijk heldere SWIR-emissies hadden die gemakkelijk konden worden opgemerkt in biologische weefselmodellen. “Per volume hebben onze deeltjes een helderheidswaarde die groter is dan die tot nu toe bijna alle andere SWIR-stralers hebben gerapporteerd”, zegt Habuchi. “Dit maakte de detectie mogelijk van polymeerstippen ter grootte van een nanometer in monsters van een millimeter dik.”

Bovendien kunnen de nieuwe polymeerstippen die slechts een nanoseconde fluoresceren, ruisarme beelden produceren met een gevoeligheid van één molecuul dankzij de hoge doorvoerdetectie van uitgezonden fluorescentie. De mogelijkheid om enkele sondes met hoge acquisitiesnelheden te visualiseren, zou gunstig kunnen zijn voor onderzoekers die processen in weefsels en organen willen vastleggen terwijl ze plaatsvinden.

“Er zijn enorme kansen voor nieuwe sondes en beeldvormingsmodaliteiten die de dynamiek van moleculen in levende systemen kunnen aanpakken, en onze polymeerstippen zijn een grote stap in de richting van beeldvorming van enkelvoudige deeltjes”, zegt Piwoński.