为了准确诊断和治疗疾病,医生和研究人员需要看到人体内部。自简陋的x射线问世以来,医学成像工具已经取得了长足的进步,但大多数现有工具仍然过于粗糙,无法量化身体深层组织内的细胞数量或特定类型。
根据伊利诺伊大学对老鼠的最新研究,量子点可以做到这一点。
“量子点可以测量身体中非常非常动态和复杂的东西,这是我们目前无法看到的。它们使我们能够计数细胞,检测它们的确切位置,并观察它们随时间的变化。我认为这确实是一个巨大的进步,”安德鲁·史密斯说,他是伊利诺伊大学生物工程系的教授,也是该研究的合著者ACS Nano研究。
量子点是实验室培养的纳米颗粒——只有几百个原子大小——具有特殊的光学特性,可以通过标准显微镜、断层扫描(例如PET/CT扫描仪)和荧光成像检测到。根据它们的大小和组成,像史密斯这样的生物工程师可以让它们发出特定的颜色,并在红外光谱中发出光。
“发射红外线的光是罕见的。组织在红外线中发出的光很少,所以如果你把它们放在体内,它们看起来很亮。我们可以看到身体的深处,比我们在可见光范围内使用的技术更准确地测量事物,”史密斯说。
在ACS Nano在研究中,史密斯和他的同事让量子点在巨噬细胞上释放。
当我们的身体需要吞噬病原体或清理细胞碎片时,巨噬细胞就会开始工作。它们的工作之一是引发炎症,使环境不适合有害微生物生存。但有时他们做得太好了。根据巨噬细胞所在组织的不同,由巨噬细胞活动引起的慢性炎症会导致糖尿病、心血管疾病、癌症等。
伊利诺伊大学的研究小组对脂肪或脂肪组织中的巨噬细胞特别感兴趣。
“随着体重增加和肥胖,脂肪组织中的巨噬细胞数量会增加,并倾向于转向炎症表型,这有助于胰岛素抵抗和代谢综合征的发展。脂肪组织中巨噬细胞的数量和位置描述得很差,特别是在体内,”凯利·斯旺森说,他是卡夫亨氏公司动物科学系人类营养学教授,也是这项研究的合著者。
他补充说:“我们小组开发的量子点可以更好地量化和表征脂肪组织中存在的细胞及其空间分布。”
研究小组创造了涂有葡聚糖的量子点,葡聚糖是一种糖分子,也能靶向脂肪组织中的巨噬细胞。作为概念验证,他们将这些量子点注射到肥胖小鼠体内,并将成像结果与葡聚糖(目前巨噬细胞成像的标准)单独进行比较。
量子点在所有成像平台上的表现都优于葡聚糖,包括简单的光学技术。
“量子点发出大量的光,使我们能够在更大程度上测量特定的细胞类型,并确定它们的位置,”史密斯说。“这种程度的光输出允许使用光学技术,这比其他成像技术更容易获得。与核磁共振和PET扫描仪相比,它们是便宜的仪器,可以放在小诊所里。每个人都可以有一个。”
虽然量子点尚未用于人体,但斯旺森认为,未来一种简单的光学技术,如超声波,可以用于非侵入性诊断和跟踪超重患者的炎性巨噬细胞。
“可能会有一种像超声波这样的设备,你可以扫描一个人,即使病人的体重没有变化,医生也可以判断出细胞类型是否发生了变化。更多的炎症细胞可以预测胰岛素抵抗和其他问题,”他说。“这就是我对它感兴趣的原因,因为它的诊断特性。”
量子点没有用于人体,因为它们通常是由镉和汞等重金属制成的,科学家们还没有弄清楚它们是如何代谢并从体内排出的。史密斯和他的团队正在研究用更安全的元素制造量子点,但在那之前,它们仍然是一个宝贵的研究工具。例如,它们的长循环时间——在目前的研究中是葡聚糖的9倍——可以为诊断医生提供一种超越时间快照的方法。
“即使在一天内,巨噬细胞也有很大的可变性。脂肪组织在一天的中午可能会有很高的数量,然后它会下降,”史密斯说。“在动物研究中,我们可以在一天的开始和结束时牺牲动物来研究趋势,但有了量子点,我们可能不需要这样做。你可以跟踪一只动物一段时间,看看它的进展。
“量子点在动物研究中提供了巨大的价值。因此,即使量子点不能应用到人类身上,如果我们永远找不到一种使它们无毒的方法,它的价值仍然非常大。”
史密斯、斯旺森和其他同事最近获得了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的资助,以扩大他们在量子点方面的研究,瞄准数十种不同的细胞类型。
动物科学系隶属于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的农业、消费者和环境科学学院。
故事来源:
材料所提供的伊利诺伊大学农业,消费者和环境科学学院。劳伦·奎恩(Lauren Quinn)原创。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。
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