p (Phys.org) - Uma técnica de imagem baseada em corante conhecida como microscopia de dois fótons pode produzir imagens de estruturas neurais ativas com muito mais detalhes do que imagens de ressonância magnética funcional, ou fMRI, mas requer lasers poderosos e caros. Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade da Pensilvânia desenvolveu um novo tipo de corante que pode reduzir o custo da técnica em várias ordens de magnitude. p O estudo foi conduzido pelo professor associado Sergei Vinogradov e pela pesquisadora de pós-doutorado Tatiana Esipova, ambos do Departamento de Bioquímica e Biofísica Molecular da Escola de Medicina Perelman da Penn, junto com Christopher Murray, professor dos departamentos de Química da Escola de Artes e Ciências e de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.

p Foi publicado no Proceedings of the National Academies of Sciences .

p A microscopia de dois fótons envolve o uso de um laser poderoso para disparar fótons rapidamente em um feixe altamente focalizado que pode atravessar tecidos vivos. A energia combinada de um par de fótons infravermelhos que colidem com uma molécula de um corante marcador faz com que ele fique fluorescente na faixa do visível. Ao escanear o foco do feixe em um espaço tridimensional, a fluorescência do corante pode revelar até as menores estruturas 3D, como os capilares sanguíneos do cérebro e até células individuais. E ao usar corantes sensíveis à química de processos biológicos específicos, como o movimento de íons de cálcio que permite que os neurônios disparem, a técnica pode até ser usada para imagens funcionais; ele pode sentir mudanças na atividade neural enquanto o sujeito está pensando.

p "É praticamente a única maneira de olhar em profundidade as células individuais ou mesmo as estruturas subcelulares do cérebro, "Vinogradov disse." A FMRI fornece apenas regiões maiores; você não vê os detalhes. E muitas das coisas que estamos interessados ​​em sondar estão muito próximas. "

p A desvantagem dessa técnica é que os corantes disponíveis atualmente requerem uma quantidade enorme de energia para produzir imagens utilizáveis. Os pesquisadores devem usar lasers de femtosegundo, que pode disparar um quatrilhão de pares de fótons por segundo. Esses lasers são muito caros, Contudo, limitando as aplicações da técnica de microscopia.

p Uma solução possível seria usar um corante que fluorescesse mais facilmente. Para este fim, nanopartículas feitas de elementos lantanídeos há muito tempo são investigadas como sondas moleculares.

p "Essas nanopartículas têm uma excitabilidade de um milhão a 10 milhões de vezes maior do que os corantes moleculares existentes, "Vinogradov disse." Isso significa que, a fim de excitar essas nanopartículas, você poderia usar uma fonte de luz que custe mais perto de $ 200 em vez de $ 200, 000. "

p O desafio era então obter nanopartículas de lantanídeos nos tipos de tecidos que os pesquisadores queriam estudar, como o cérebro. Como essas nanopartículas não são solúveis, eles não podem ser injetados com segurança na corrente sanguínea. Em vez de fluir junto com o sangue, eles se sentariam na parte inferior dos vasos sanguíneos, eventualmente formando um coágulo.

p Outros grupos tentaram aumentar a solubilidade das nanopartículas envolvendo-as em hidrofílico, ou amante da água, polímeros. Esses polímeros são essencialmente cordas com uma cauda que é atraída pela água e uma cabeça que é atraída pela partícula. Em teoria, a cabeça se ligaria à superfície da nanaopartícula e a cauda interagiria com a corrente sanguínea, mas, porque a corda seria ligada à partícula por um único ponto de contato, ele pode cair facilmente. Adicionar mais locais de ligação de partículas à string resolve um problema, mas cria outro.

p "Este tipo de corda se enrola e cola na partícula, mas nenhuma de suas partes hidrofílicas permanece disponível para interagir com o solvente, "Vinogradov disse." Ele se liga à nanopartícula, mas não a torna significativamente mais solúvel. "

p Vinogradov e seus colegas adotaram uma abordagem diferente, moldar polímeros dendríticos. Esses dendrímeros têm vários ramos anexados a um núcleo, dando-lhes uma forma esférica geral.

p "Imagine que você tem uma bola de tênis, e você o cola em uma parede revestida de velcro. Porque é uma bola, ainda há uma fração significativa de sua superfície que ainda está exposta, "Vinogradov disse." Pegamos as nanopartículas de lantanídeos e cobrimos toda a sua superfície com essas bolas hidrofílicas. É um conceito geométrico muito simples. "

p Conectar esses dendrímeros às nanopartículas foi possível devido à pesquisa anterior de Christopher Murray, que possibilitou um procedimento especial para "revestir" as superfícies das nanopartículas com uma camada que facilita sua interação com os dendrímeros.

p Os pesquisadores testaram a eficácia dessa abordagem em um modelo de camundongo. Eles começaram injetando um corante marcador convencional e usando um laser de femtossegundo para mapear a vasculatura de uma seção do cérebro do rato. Eles então mudaram para um laser que era um milhão de vezes mais fraco e mapearam a mesma região novamente, previsivelmente, não produzindo fluorescência. Finalmente, eles mantiveram o mesmo laser fraco, mas injetaram as nanopartículas revestidas com dendrímero, o que permitiu aos pesquisadores produzir as mesmas imagens do primeiro ensaio.

p "Isso significa que fizemos o mesmo experimento que o laser de femtossegundo, mas com um que custa centenas de milhares de dólares a menos, "Vinogradov disse.

p Este experimento foi a primeira demonstração do uso de nanopartículas de lantanídeos na neuromiografia, bem como o primeiro exemplo de microscopia in vivo de dois fótons com microscopia simples, lasers baratos.