تصویربرداری با نانو ذرات پلیمری

تصویربرداری پس از تابش مولکولی با استفاده از نانوذرات پلیمری روشن و زیست تخریب پذیر

عوامل نوری که می توانند پس از توقف تحریک، نور طولانی مدت را ساطع کنند به دلیل حذف اتوفلورسانس بافتی نویدبخش تصویربرداری فوق حساس در داخل بدن هستند. با این حال، چنین عوامل تصویربرداری کمیاب بوده و عمومآ محدود به نانوذرات معدنی با روشنایی نسبتآ کم و انتشار کوتاه مادون قرمز نزدیک (NIR) هستند. در اینجا، ما نسل جدیدی از عوامل کاملآ آلی را براساس ذرات نانوپلیمری نیمه رسانا (SPN) با قطر کمتر از 40 نانومتر را معرفی می کنیم که می توانند انرژی فوتون را ازطریق شکست های شیمیایی ذخیره کرده و سپس پس از تابش نور، NIR را در 780 نانومتر پس از تابش نور ساطع کنند. نور پس از تابش دو برابر بیشتر از مواد غیرآلی با میزان غلظت مطابقت دارد و اگرچه سیگنال نیز در بدن موش زنده قابل تشخیص است اما نمی توان این کار را با تصویر برداری فلورسانس NIR انجام داد. نور پس از تابش NIR روشن در SPN ها امکان تصویربرداری غدد لنفاوی با کنتراست بالا در موش های زنده با نسبت سیگنال- به- پس زمینه را فراهم می کند که 127 برابر بیشتر از تصویربرداری فلورسانس NIR است. علاوه براین، تطبیق پذیری ساختاری SPN ها برای اولین بار یک پروب پس زمینه فعال با سیگنال های خاص به منظور حضور بیوتیول ها ارائه می دهد که امکان تصویربرداری بدون تحریک از لحظۀ سمیّت کبدی ناشی از دارو در موش های زنده را فراهم می کند. این مطالعه بعنوان یک مطالعۀ اساسی از کلاس کاملآ جدیدی از فاکتورهای نوری در تصویربرداری مولکولی در حساسیت سطحی محسوب می شود که با تصویربرداری فلورسانس معمولی NIR قابل دستیابی نیست.

تصویربرداری نوری نقش مهمی در حوزه های زیست شناسی و پزشکی ایفا می کند. با این حال، نیاز به تحریک نور در زمان واقعی در حین تصویربرداری باعث ایجاد خودِ فلورسانس بافتی می شود که حساسیت و خواص تصویربرداری را در نمونه های زنده به خطر می اندازد. از این رو، تکنیک های تصویربرداری نوری مانند بیولومینسانس و لومینسانس سرنکوف که نیاز به تحریک همزمان نور را برطرف می کنند، در حوزه تصویربرداری مولکولی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. با این حال، پروب های بیولومینسانس برای تابش نور به آنزیم/ بستر نیاز دارند و بنابراین سیگنال های آنها اغلب تحت تأثیر محیط میکروی آنزیم و توزیع زیستی بستر در حیوانات زنده قرار می گیرند. در مقابل، پروب های سرنکوف بر انتشار ذرات باردار از رادیوایزوتوپ ها تکیه می کنند که شامل روش سنتزی پیچیدۀ طول عمر کوتاه می شوند. لومینسانس پس از تابش یک فرایند درخشندگی ذاتی است که پس از پایان تحریک نوری رخ داده و عمومآ از انتشار آهسته فوتون ها از تله های انرژی در فرایند شبیه سازی حرارتی ناشی می شود. اگرچه تصویربرداری پس از تابش به دلیل عدم تحریک در زمان واقعی گزینه مناسبی برای تصویربرداری در داخل بدن محسوب می شود، اما اثبات شده است که تنها چند نانوذره معدنی در شرایط بیولوژیکی میتواند ایجاد کند که همگی حاوی یون های فلزات سنگین کمیاب مانند یوروپیم، پرازئودیمیم و کروم هستند. بنابراین نسل فعلی این پروب ها به دلیل نگرانی از بروز سمیّت بطور کامل از بین می روند. در حال حاضر، نانوذرات غیرآلی پس از تابش بعنوان پروب های تجمع استفاده می شوند. با این حال، کنتراست باتوجه به تفاوت غلظت پروب بین بافت هدف و بافت طبیعی مجاور تعیین می شود. برخلاف تفاوت غلظت، پروب های فعال که با شناسایی اهداف مولکولی دچار تغییر شدت سیگنال می شوند، بیانگر کنتراست بالا و زمان واقعی در شرایط پاتولوژیکی در سطح مولکولی هستند. در این مطالعه، طراحی و کاربرد نانوذرات پلیمری نیمه رسانا (SPN) را بعنوان پروب های درخشندگی پس از تابش برای تصویربرداری مولکولی در موش های زنده بیان می کنیم. SPN ها از پلیمرهای نیمه هادی نوری فعال (SP) ساخته شده و جایگزین مناسبی برای نانومتریال فوتونی محسوب می شوند. آنها کاملآ ارگانیک بوده و حاوی مواد بیولوژیکی خوش خیم برای غلبه بر مسمومیت ناشی از فلز یون هستند. علاوه براین به دلیل انعطاف پذیری ساختاری و خواص نوری عالی می توانند بعنوان عوامل فلورسانس، شیمی لومینسانس، بیولومینسانس یا فتوآکوستیک برای کاربردهای داخل بدن من جمله تصویربرداری از تومور، التهاب عصبی، غدد لنفاوی، همودینامیک فوق سریع و یا فعال سازی نورون استفاده شوند. از آنجا که ما به تازگی پدیدۀ پس از تابش را در SPN ها مشاهده کردیم، مکانیسم و کاربردهای آن در داخل بدن همچنان ناشناخته مانده است. در اینجا، ابتدا مکانیسم لومینسانس پس از تابش در SPN را بررسی می کنیم؛ با این بررسی به این نتیجه رسیدیم که این روند شامل القای نور از شکست های شیمیایی ناپایدار می شود که میتواند فوتون ها را بعنوان محصولات پایین دست تولید کند. سپس یک استراتژی پیشنهادی ارائه می دهیم که نور پس زمینه SPN را بطور قابل ملاحظه ای تغییر داده و از آن برای تصویربرداری از غدد لنفاوی در موش های زنده کمک می گیریم.

باتوجه به شکل زیر، SP ها با ساختارهای مولکولی مختلف برای شناسایی ساختارها از لحاظ لومینسانس پس از تابش مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند.

شکل 1:

با توجه به شکل بالا، برای تبدیل هفت SP به نانوذرات محلول در آب از یک کوپلیمر آمفیفیلیک (PEG-b-PPG-b-PEG) استفاده شد. قطرهای هیدرودینامیکی SPN ها که با پراکندگی نور دینامیک (DLS) اندازه گیری می شوند از 30-40 نانومتر متغیر هستند. میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورفولوژی کروی را با قطر 33.9- 4.3 نانومتر بیشتر تأیید می کند که تقریبآ مشابه با داده های DLS بود. محلول های نانوذرات نیز بدون هیچ گونه رسوب و تغییر اندازه حتی پس از دو ماه ذخیره سازی، بسیار شفاف هستند که پایداری عالی در محلول آبی را نشان می دهند. سیگنال های فلورسانس و پس از تابش در SPN ها به ترتیب با یک سیستم تصویربرداری طیف IVIS از طریق روش های فلورسانس (با تحریک) و بیولومینسانس (بدون تحریک) گردآوری شدند. فقط SPN های مبتنی بر PPV من جمله BOPPV، MDMOPPV و MEHPPV درخشندگی پس از تابش آشکاری را نشان دادند؛ پروفایل های طیفی درخشندگی آنها مشابه طیف های فلورسانس بود. با این حال، همه SPN ها کاملآ فلورسنت بودند. سیگنال پس از تابش فقط در SP های مبتنی بر PPV مشاهده شد که نشان می دهد فنیل وینیلین نقش اساسی در ایجاد این لومینسانس در زمان واقعی و بدون تحریک ایفا می کند.

با توجه به شکل ارائه شده در بالا، SP های ساطع کننده نور به نانوذرات تبدیل شده و برای تصویربرداری از لومینسانس پس از تابش آنالیز شدند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تابش برخی از SPN های مبتنی بر PPV باعث ایجاد شکست های شیمیایی پایدار (واحدهای دیوکستان) می شود که می تواند خود به خود و به آرامی تجزیه شده و فوتون هایی را آزاد کند که منجر به لومینسانس پس از تابش شوند.

شکل 2:

تشکیل واحدهای دیوکستان در PPV ها یک گام کلیدی به سوی فرایند پس از تابش محسوب می شود. کارایی آن ذاتآ توسط گروه های جانشین بر روی پیوندهای وینیل PPV ها تعیین می شود. اگرچه مکانیسم حاکم بر لومینسانس پس از تابش در SPN های مبتنی بر PPV با شیمی لومینسانس مشابه است، اما برای شروع واکنش به ROS خارجی نیازی نیست. در عوض، خودِ SPN ها می توانند تحت تابش نور ¹O₂ تولید کرده و به دنبال آن باعث ایجاد لومینسانس پس از تابش شوند. علاوه بر کنترل دما، روشنایی پس از تابش SPN های مبتنی بر PPV را میتوان با مهار یا بهبود تولید ¹O₂ افزایش داد. این اصل می تواند نور پس زمینه آنها را به سادگی با دوپ کردن ¹O₂ جذب کنندۀ NIR تنظیم کرده تا انتشار طول موج ها در NIR و فرایند پیش تابش را تغییر دهد. جذب NIR در SPN-NCBS5 امکان شارژ مجدد بازتابش در بافت عمیق را تصویربرداری طولی در داخل بدن فراهم می سازد.