p (Phys.org) —A imagem fotacústica é uma modalidade de imagem biomédica híbrida, com base no efeito fotoacústico, em que pulsos de laser não ionizantes são entregues em tecidos biológicos. (Mais especificamente, no efeito fotoacústico, as ondas sonoras se formam devido às mudanças de pressão quando um material absorve luz modulada ou pulsada de intensidade variável. Essas ondas são então detectadas por, por exemplo, microfones ou sensores piezoelétricos. O sinal fotoacústico resultante é a corrente ou voltagem que fornece o valor que indica como as ondas sonoras variam no tempo.) Recentemente, cientistas da Universidade de Stanford desenvolveram uma nova classe de agentes de contraste para imagem molecular fotoacústica - a saber, nanopartículas de polímero semicondutor (SPNs) que absorvem luz infravermelha próxima (NIR) que produzem um sinal mais forte do que nanotubos de carbono de parede única e nanobastões de ouro - propriedades que permitiram aos pesquisadores realizar mapeamento fotoacústico de linfonodos de corpo inteiro em ratos de laboratório vivos. Além disso, essas nanopartículas de polímero semicondutor possuem alta flexibilidade estrutural, perfis espectrais fotoacústicos estreitos e forte resistência à fotodegradação e oxidação - qualidades essenciais para o projeto da primeira sonda fotoacústica raciométrica de infravermelho próximo para na Vivo imagens em tempo real das espécies reativas de oxigênio (ROS) que medeiam muitas doenças. Resumidamente, os pesquisadores dizem, seus resultados mostram que as nanopartículas de polímero semicondutor são a nanoplataforma perfeita para o desenvolvimento de sondas moleculares fotoacústicas. p O Prof. Jianghong Rao discutiu o artigo que ele, Dr. Kanyi Pu e seus co-autores publicados em Nature Nanotechnology . "Em primeiro lugar, existem várias propriedades ideais que uma sonda de imagem fotoacústica deve ter, "Rao disse ao Phys.org." Estes são de baixa toxicidade ou nenhuma toxicidade, alta eficiência fotoacústica, excelente fotoestabilidade e estabilidade química, absorção no comprimento de onda infravermelho ou infravermelho próximo para evitar a absorção da luz de fundo do tecido e alcançar uma melhor penetração da luz, e –para uma sonda de imagem molecular - a capacidade de gerar contraste de imagem fotoacústica específico do alvo. "No entanto, Rao continua, os agentes de contraste fotoacústicos atuais geralmente não atendem a todos esses requisitos, tendo fotoestabilidade pobre, baixa estabilidade à oxidação, ou preocupações com a toxicidade. Enquanto a imagem fotoacústica promete avançar significativamente a visualização fisiológica e patológica em nível molecular com penetração profunda no tecido e resolução espacial fina, sondas de imagem molecular fotoacústica devem primeiro ser desenvolvidas.

p Por outro lado, Rao observa que as nanopartículas de polímero semicondutor oferecem uma série de características atraentes, incluindo ser um agente de contraste de imagem fotoacústica, sem uso de metais tóxicos, sendo biologicamente inerte, tendo alta fotoestabilidade, são resistentes à oxidação, e a capacidade de ser feito com alta absorção de luz infravermelha próxima. "A questão principal, " ele explica, "era se era eficiente para nanopartículas de polímero semicondutor produzir sinais acústicos após a excitação de luz - e tivemos que examinar o tipo de polímero para determinar isso. o grande desafio para as sondas de imagem fotoacústica molecular é se elas podem produzir um sinal específico em resposta aos seus alvos moleculares. Isso requer um mecanismo de ativação de sinal controlado pelo alvo molecular. "

p Ao enfrentar esses desafios, Rao diz que seu principal insight foi que um polímero semicondutor pode ser formulado em uma nanopartícula solúvel em água e, dependendo de sua estrutura, as nanopartículas resultantes podem ser altamente eficientes para imagens fotoacústicas. "Nossa principal inovação no projeto de nanopartículas de polímero semicondutor em uma sonda de imagem molecular phootoacústica foi introduzir a imagem raciométrica amplamente utilizada em imagens de fluorescência, ", diz ele. As técnicas de imagem raciométrica observam mudanças de comprimento de onda de emissão de fluoróforos (compostos químicos fluorescentes que podem reemitir fótons sob excitação de luz) ou comparando a intensidade de emissão de uma combinação de fluoróforo em vez de medir meras mudanças de intensidade." dois comprimentos de onda diferentes, a ativação do alvo leva à mudança no sinal fotoacústico em um comprimento de onda, portanto, a proporção dos sinais em dois comprimentos de onda mudará de acordo. Isso nos permitiu criar um sinal fotoacústico específico para o alvo. "

p Rao descreve algumas das descobertas interessantes e importantes do artigo, começando com sua demonstração fundamental de que as nanopartículas de polímero semicondutor que absorvem luz do infravermelho próximo podem servir como uma nanoplataforma eficiente e estável para permitir que os fótons sejam usados ​​para gerar ondas de ultrassom, permitindo a imagem molecular fotoacústica in vivo. "Nanopartículas de polímero semicondutor podem absorver uma grande quantidade de luz infravermelha próxima, "ele explica." A energia absorvida é então dissipada como calor para gerar ondas sonoras e essas ondas podem ser detectadas pelo transdutor de ultrassom e, por sua vez, exploradas para imagens fotoacústicas. Abordando outro resultado - que as sondas de imagem molecular ativáveis ​​podem sofrer uma evolução de sinal intrínseca ao detectar alvos moleculares ou eventos, fornecendo uma correlação em tempo real entre os estados ativados e não ativados da sonda e os processos patológicos em um nível molecular - Rao destaca que, neste estudo, a sonda produz sinais fotoacústicos em dois comprimentos de onda diferentes (700 nm e 820 nm) antes da ativação pelo alvo molecular ROS (espécies reativas de oxigênio). "Após a ativação, " ele adiciona, "o sinal em 820 nm é perdido, e o sinal em 700 nm permanece. Assim, essa mudança de sinal reflete a presença e atividade do alvo. A aquisição de imagens é rápida, portanto, a detecção pode ser em tempo real. A imagem captura a mudança molecular da sonda que reflete a atividade do alvo molecular ROS na doença. "

p O artigo enfatiza que a plena utilização do potencial da imagem fotoacústica em profundidade e resolução espacial que é inatingível pela imagem de fluorescência requer novos materiais passíveis de construção de sondas fotoacústicas ativáveis. "As sondas ativáveis ​​podem permitir a detecção de eventos moleculares fisiológicos e patológicos, "Rao explica." No entanto, a maioria das sondas ativáveis ​​atuais dependem de fluorescência, que não fornece a profundidade de imagem profunda e a alta resolução espacial que a imagem fotoacústica oferece. "

p Seguindo em frente, Rao diz, os cientistas continuam a explorar sua aplicação para imagens - por exemplo, imagem fotoacústica de câncer ao anexar uma molécula de direcionamento de tumor à nanopartícula. "Outra área será explorar mais polímeros que absorvem em diferentes comprimentos de onda do infravermelho próximo, " ele adiciona, "permitindo que imagens de múltiplos alvos sejam feitas simultaneamente. Além disso, enquanto este trabalho demonstra a imagem de espécies reativas de oxigênio, outros alvos moleculares, como pH e espécies de enzimas, podem ter imagens semelhantes. "Rao também aponta que pode ser possível que a nova abordagem seja combinada com a administração de medicamentos, efetivamente criando os chamados teranóstica nanopartículas para aplicações de saúde personalizadas, testando pacientes para possíveis reações a um novo medicamento, e, em seguida, adaptar um tratamento para eles com base nos resultados do teste.

p Rao lista uma série de aplicativos que surgirão como resultado de suas pesquisas. "Nossa pesquisa provavelmente levará ao uso de nanopartículas semicondutoras para imagens fotoacústicas em modelos animais pré-clínicos, como imagens de ROS em locais de tecidos profundos em doenças, "diz ele." Também pode levar ao desenvolvimento de outras sondas de imagem fotoacústica semicondutoras baseadas em polímeros, ambas as sondas de direcionamento por conjugação de um ligante de direcionamento "(uma pequena molécula que forma um complexo com uma biomolécula para servir a um propósito biológico)" e as sondas ativáveis ​​sinalizam a ativação por alvos moleculares diferentes de ROS. "

p Em relação a outras áreas de pesquisa que podem se beneficiar de seu estudo, Rao disse ao Phys.org que o novo nanomaterial deve aumentar a capacidade de estudar o câncer, neurodegenerativo, cardiovascular, e muitas outras doenças em modelos animais, e ajudar a descobrir o papel de RONS aberrantes (espécies reativas de oxigênio e nitrogênio) nessas doenças e contribuir para o desenvolvimento de novas terapêuticas. “Com a tradução da imagem fotoacústica para as clínicas, "Rao conclui, "pode ​​ser aplicado à pesquisa clínica também." p © 2014 Phys.org. Todos os direitos reservados.