Medicininis vaizdavimas Kanzaso valstijoje, Toto valstijoje, nebėra, nes Penn State tyrėjų vadovaujama komanda tradicinius juodos ir baltos spalvos diagnostinius rentgeno spindulių vaizdus ir tradicinius kompiuterinės tomografijos vaizdus atneša į technicolor. Tyrėjai sukūrė naujas kontrastines medžiagas, kurios nukreiptos į du baltymus, susijusius su osteoartritu – degeneracine sąnarių liga, paprastai apibūdinama kaip nusidėvėjimo artritas.
Pažymėdami baltymus kontrastinėmis medžiagomis, sudarytomis iš naujai sukurtų metalinių nanozondų, mokslininkai gali naudoti pažangią vaizdavimą, vadinamą „K krašto” vaizdavimu arba fotonų skaičiavimo kompiuterine tomografija (KT), kad vienu metu būtų galima stebėti atskirus biologinius procesus spalvomis, kurie kartu atskleidžia daugiau. apie ligos progresavimą nei tradicinis skenavimas.
Komanda paskelbė savo išvadas Pažangus mokslas. Darbas, atliktas su žiurkėmis, bet turintis įtakos žmonėms, leidžia tyrėjams ir gydytojams pamatyti anksčiau užtemdytus procesus spalvotai ir stebėti ligos požymius dar ilgai prieš atsirandant klinikiniams simptomams.
„Jei galime sukurti kontrastinę medžiagą – metalinį nanozondą – pritaikytą tikslinėms dalelėms identifikuoti ir kiekybiškai įvertinti, fotonus skaičiuojančiu kompiuterinės tomografijos skaitytuvu nepamatysime labai mažai“, – sakė pirmoji autorė Nivetha Gunaseelan, Penn biomedicinos inžinerijos doktorantė. valstybė.
„Ir ta vizualizacija yra ypač svarbi, kai kalbama apie tokias ligas kaip osteoartritas, kuris gali progresuoti nepastebimai iki klinikinio pasireiškimo, kuris dažnai yra pažengęs ir negrįžtamas.
„Ankstyvas įsikišimas galėtų sumažinti simptomus ir pagerinti gyvenimo būdą, jei turime priemonių, leidžiančių anksti diagnozuoti ir išilgai sekti ligas. Galime patobulinti vaizdo gavimo metodus, kad aptiktume ankstyvus kremzlės pokyčius molekuliniu lygiu, o tai galėtų padėti pagerinti diagnozę ir stebėjimą.”
Darbas priklauso nuo palyginti naujos technologijos – fotonų skaičiavimo kompiuterinės tomografijos (KT) skaitytuvo, kuris atskleidžia tuos pačius kaulus, raumenis ir riebalus, kuriuos gali detalizuoti įprasti kompiuterinės tomografijos skaitytuvai, tačiau turi daug platesnę galimybę atskirti įvairius komponentus didesne raiška. ir nurodytomis spalvomis.
JAV Maisto ir vaistų administracija patvirtino šio pažangaus skaitytuvo versiją, kurią gamina Siemens, klinikiniam naudojimui ir dabar ji yra dedama į kai kurias ligonines, tačiau mažesnio masto molekulinio vaizdo gavimo galimybės klinikiniams tikslams iš esmės liko neištirtos. tyrėjai.
Fotonus skaičiuojantis kompiuterinės tomografijos skaitytuvas seka medžiagas, turinčias unikalų K briaunos tapatumą, o tai nurodo, kaip medžiagoje esantys elektronai sugeria energiją. Elektronai sėdi ant K apvalkalo, savotiško korpuso, apimančio atomo branduolį. Kai energija sugeriama iš fotonų arba šviesos dalelių, elektronai gali pereiti į daugiau išorinių apvalkalų. Atomas gali sugerti tam tikrą energijos kiekį, o pasiekus šią ribą atomas skleis šviesos blyksnį.
Tyrėjai gali liepti skaitytuvui sekti tą konkrečią šviesos emisiją, vadinamą K briauna. Jei medžiaga su išskirtiniu K krašto tapatumu taip pat nukreipta į konkretų baltymą, mokslininkai gali naudoti skaitytuvą to baltymo aktyvumui stebėti.
„Šis didelės skiriamosios gebos, K briaunomis pagrįstas vaizdo gavimo metodas gali būti naudojamas daugeliui biologinių taikinių vaizduoti, taip leidžiant laikui bėgant stebėti ligos progresavimą, matuojant baltymų ekspresijos santykį“, – sakė atitinkamas autorius Dipanjanas Pan, Dorothy Foehr Huck &. J. Lloydas Huckas Nanomedicinos profesorius ir medžiagų mokslo bei inžinerijos ir branduolinės inžinerijos profesorius Peno valstijoje.
„Šis metodas gali būti ypač naudingas diagnozuojant skeleto ligas, nes kremzlės degradacijos progresavimas pacientams labai skiriasi, o informacija apie baltymų žymenų santykį gali suteikti esminės informacijos apie ligos stadiją.”
Tyrėjai sukūrė du K formos metalinius nanozondus, pagamintus iš prazeodimio ir hafnio. Zondai nukreipti į du baltymus kremzlės audinyje: atitinkamai agrekaną ir agrekanazę. Aggrekano, kuris padeda suteikti kremzlės struktūrą ir gebėjimą atlaikyti svorį, gausu sveikuose sąnariuose ir ankstyvose osteoartrito stadijose.
Agrekanazės, kuri skaldo agrekaną ir riboja kremzlės gebėjimus, gausu vėlyvose osteoartrito stadijose. Kai liga progresuoja, baltymų santykis keičiasi, suteikiant metriką ligos būklei stebėti.
Komanda naudojo fotonų skaičiavimo kompiuterinę tomografiją, kad stebėtų, kaip santykis pasikeitė ligai progresuojant gyvūnų modeliu. Jie naudojo papildomą vaizdavimą ir eksperimentinį patvirtinimą, kad patvirtintų savo rezultatus.
„Nuo pirmosios Rentgeno demonstracijos rentgeno vaizdavimas labai pažengė į priekį“, – sakė Panas, turėdamas omenyje Wilhelmą Röntgeną, fiziką, kuris 1895 m. padarė pirmąją rentgenogramą, o jo žmonos Anos Berthos ranka buvo tiriama.
„Šios technikos pranašumas yra greitas vaizdų fiksavimas, todėl jis yra geras pasirinkimas kritinėse situacijose, tačiau jame trūksta minkštųjų audinių kontrasto ir negalima atskirti vaizdo signalo nuo ligos vietos nuo vidinių struktūrų, tokių kaip kaulai, signalo.”
Tačiau Panas paaiškino, kad pažangios detektorių technologijos, tokios kaip fotonų skaičiavimo kompiuterinė tomografija ir K-krašto vaizdavimas, su kuriomis jo laboratorija dirbo daugiau nei dešimtmetį, leido gauti labai tikslų ir detalų vaizdą.
„Dabar galime suskaičiuoti atskirus fotonus, todėl galime generuoti į karštą tašką panašius vaizdus, pagrįstus elemento K krašto energija“, – sakė Pan. „Mūsų eksperimento rezultatai pirmą kartą parodo, kad papildomą biologinį procesą galima stebėti įvairiaspalviu būdu, naudojant kliniškai reikšmingą būdą.”
Pasak Pano, fotonų skaičiavimo kompiuterinė tomografija siūlo keletą klinikinių pritaikymų, susijusių su tokiais pranašumais kaip atsparumas elektroniniam triukšmui ir didelės raiškos vaizdavimas nepakenkiant kvantiniam efektyvumui.
„Mes parodėme K krašto nanozondų ir fotonų skaičiavimo kompiuterinės tomografijos potencialą nustatant kritines osteoartrito stadijas prieš simptomų vystymąsi ir klinikinį pristatymą pažengusiais etapais”, – sakė Pan. „Tikimasi, kad sinergetinis šių priemonių vystymas lems šios srities sėkmę.