Cientistas usando uma abordagem única desenvolveram um novo agente de contraste para imagens biomédicas. Eles dizem que a descoberta supera o grande desafio de "ver" mais profundamente o tecido vivo, e abre o caminho para melhorias significativas na tecnologia de imagem óptica.

O desenvolvimento, resultado da colaboração internacional entre a Fudan University na China e a University of Technology Sydney (UTS), tem o potencial de obter resolução de bioimagem além do que é possível atualmente com a tecnologia de imagens de CT e PET. A pesquisa é publicada em Nature Photonics .

Professor Dayong Jin, autor sênior do estudo e diretor do UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), disse que "este resultado é um grande exemplo que mostra como transformamos os avanços da fotônica e das ciências dos materiais em biotecnologias revolucionárias no IBMD".

Os agentes de contraste óptico são usados ​​principalmente para melhorar a visualização e a diferenciação em tecidos e vasos sanguíneos em ambientes clínicos e de pesquisa.

Para otimizar o brilho de um agente de contraste, e para iluminar com eficiência células individuais e biomoléculas, o desafio está em superar uma limitação da física, chamado de "extinção de concentração". Isso é causado pelo relaxamento cruzado de energia entre os emissores quando eles estão muito próximos um do outro, de modo que ter muitos emissores leva a uma extinção do brilho geral.

"A nova abordagem nesta pesquisa foi desbloquear o efeito de extinção de concentração usando o elemento de terra rara pura itérbio que tem apenas um único estado excitado para evitar relaxamento cruzado entre sistemas", explicado pelo professor Jin, "para que uma rede de mais de 5, 000 emissores de itérbio puro podem ser fortemente condensados ​​dentro de um espaço de 10 nm de diâmetro, mil vezes menor que uma célula ".

Nessa densidade de emissor, todos os locais de dopagem atômica possíveis são ocupados por itérbio dentro da estrutura de rede cristalina, e uma vez devidamente passivado (tornado não reativo), por uma fina camada de fluoreto de cálcio biocompatível, o material está livre de extinção de concentração.

"Isso permite que a eficiência da conversão fotônica se aproxime do limite teórico de 100%. Isso não apenas marca um novo recorde em fotônica e ciências de materiais, mas também abre um monte de aplicações potenciais ", Professor Jin disse.

Autor principal do artigo, Sr. Yuyang Gu, um Ph.D. estudante da Fudan University, disse "usar este novo agente de contraste em um modelo de rato nos permitiu ver através de ratos inteiros".

A física fundamental das sondas fluorescentes usadas em imagens ópticas significa que há apenas uma "janela" (janela de transparência óptica) estreitamente definida no infravermelho próximo (NIR), além da qual a luz visível não pode penetrar no tecido. É difícil projetar um agente de contraste que absorva e emita no NIR sem perder energia.

"Embora o itérbio tenha um nível de 'energia pura' que ajuda a proteger os fótons absorvidos na banda NIR antes de serem emitidos, com perda insignificante de energia, o estado animado simples permite apenas emissões na banda muito semelhante de NIR, o que torna impraticável o uso de filtros de cores convencionais para discriminar as emissões do ambiente de alta dispersão de excitação do laser ", Professor Jin disse.

"A pesquisa precisava de uma 'nova física'. Realmente tínhamos que pensar fora da caixa."

Em vez de "filtrar" espectralmente as emissões de sinal, os pesquisadores empregaram ainda uma técnica resolvida no tempo que pausou a luz de excitação, e aproveitou a propriedade de "armazenamento de fótons" dos emissores de itérbio, diminuindo a emissão de luz, longo o suficiente para permitir uma separação mais clara entre a excitação e a emissão de luz no domínio do tempo. O professor Jin compara esse fenômeno ao cenário quando, depois de desligar a TV, a fluorescência de longa duração de uma imagem de "fantasma" é vista como um brilho tardio na escuridão.

Nos últimos cinco anos, O professor Jin e sua equipe desenvolveram uma biblioteca de Super Dots, ? -Pontos, Hiperpontos e pontos térmicos como sondas luminescentes multifotônicas para aplicações de detecção e geração de imagens.

"Este resultado é outro salto quântico, trazendo-nos um novo conjunto de capacidades de pesquisa para o desenvolvimento de sensores e sondas biomoleculares mais eficientes e funcionais em nanoescala ", acrescentou o professor Jin.

Pesquisador-chefe da Fudan University, O professor Fuyou Li disse "Este é um 'novo' processo luminescente com alta eficiência. Esperamos encontrar aplicações mais adequadas com base no ajuste fino do processo de decaimento desse tipo de sondas."

O uso combinado de alta densidade de emissores de itérbio e abordagem resolvida no tempo significa que foi possível maximizar o número de emissores, a eficiência de conversão de luz e o brilho geral do agente de contraste, e, assim, melhorando significativamente a sensibilidade de detecção, resolução e profundidade.

O professor Jin disse que era outro exemplo de como as descobertas da física podem levar ao desenvolvimento de novas e aprimoradas tecnologias médicas, citando a evolução, e revolução, em métodos de diagnóstico, como raios-X, Imagens de TC e PET.