Des scientifiques utilisant une approche unique ont développé un nouvel agent de contraste pour l'imagerie biomédicale. Ils disent que la percée surmonte un défi majeur pour "voir" plus profondément dans les tissus vivants, et ouvre la voie à des améliorations significatives de la technologie d'imagerie optique.

Le développement, résultat de la collaboration internationale entre l'Université de Fudan en Chine et l'Université de technologie de Sydney (UTS), a le potentiel de porter la résolution de la bio-imagerie au-delà de ce qui est actuellement possible avec la technologie d'imagerie CT et PET. La recherche est publiée dans Photonique de la nature .

Professeur Dayong Jin, auteur principal de l'étude et directeur de l'UTS Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD), a déclaré que « ce résultat est un excellent exemple qui montre comment nous transformons les progrès de la photonique et des sciences des matériaux en biotechnologies révolutionnaires à IBMD ».

Les agents de contraste optique sont principalement utilisés pour améliorer la visualisation et la différenciation des tissus et des vaisseaux sanguins en milieu clinique et en recherche.

Pour optimiser la luminosité d'un agent de contraste, et pour éclairer efficacement des cellules individuelles et des biomolécules, le défi consiste à surmonter une limitation de la physique, appelé « trempe à concentration ». Ceci est causé par la relaxation croisée de l'énergie entre les émetteurs lorsqu'ils sont trop proches les uns des autres, de sorte qu'avoir trop d'émetteurs conduit à une extinction de la luminosité globale.

"La nouvelle approche de cette recherche consistait à débloquer l'effet d'extinction de la concentration en utilisant l'ytterbium, élément de terre rare pur qui n'a qu'un seul état excité pour éviter la relaxation croisée entre les systèmes", expliqué par le professeur Jin, "pour qu'un réseau de plus de 5, 000 émetteurs d'ytterbium pur peuvent être étroitement condensés dans un espace de 10 nm de diamètre, mille fois plus petit qu'une cellule".

À cette densité d'émetteur, tous les sites de dopage atomique possibles sont occupés par l'ytterbium dans la structure du réseau cristallin, et une fois correctement passivés (rendus non réactifs), par une fine couche de fluorure de calcium biocompatible, le matériau est exempt de trempe de concentration.

« Cela permet à l'efficacité de la conversion photonique d'approcher la limite théorique de 100 %. Cela constitue non seulement un nouveau record en photonique et en sciences des matériaux, mais ouvre aussi beaucoup d'applications potentielles", dit le professeur Jin.

Auteur principal de l'article, Monsieur Yuyang Gu, un doctorat étudiant à l'Université de Fudan, a déclaré que "l'utilisation de ce nouvel agent de contraste dans un modèle murin nous a permis de voir à travers des souris entières".

La physique fondamentale des sondes fluorescentes utilisées dans l'imagerie optique signifie qu'il n'y a qu'une "fenêtre" proche infrarouge (NIR) étroitement définie [fenêtre de transparence optique] au-delà de laquelle la lumière visible ne peut pas pénétrer dans les tissus. Concevoir un agent de contraste qui à la fois absorbe et émet dans le NIR sans perdre l'énergie est difficile.

"Bien que l'ytterbium ait un niveau" d'énergie pure "qui aide à protéger les photons absorbés dans la bande NIR avant d'être émis, avec une perte d'énergie négligeable, l'état excité simple ne permet des émissions que dans la bande très proche du proche infrarouge, ce qui rend peu pratique l'utilisation des filtres colorés conventionnels pour discriminer les émissions de l'environnement hautement diffusant de l'excitation laser", dit le professeur Jin.

"La recherche avait besoin d'une" nouvelle physique ". Nous avons vraiment dû sortir des sentiers battus."

Au lieu de "filtrer" spectralement les émissions de signaux, les chercheurs ont en outre utilisé une technique à résolution temporelle qui a mis en pause la lumière d'excitation, et a profité de la propriété de "stockage de photons" des émetteurs d'ytterbium, ralentir l'émission de lumière, suffisamment long pour permettre une séparation plus nette entre l'excitation et l'émission de lumière dans le domaine temporel. Le professeur Jin compare ce phénomène au scénario où, après avoir éteint un téléviseur, la fluorescence de longue durée d'une image "fantôme" est considérée comme une rémanence dans l'obscurité.

Depuis cinq ans, Le professeur Jin et son équipe ont développé une bibliothèque de Super Dots, ?-Points, Hyper Dots et Thermal Dots en tant que sondes luminescentes multiphotoniques pour les applications de détection et d'imagerie.

"Ce résultat est un autre saut quantique, nous apportant un nouvel ensemble de capacités de recherche vers le développement de capteurs nanométriques et de sondes biomoléculaires plus efficaces et fonctionnels », a ajouté le professeur Jin.

Chercheur en chef de l'Université de Fudan, Le professeur Fuyou Li a déclaré :"Il s'agit d'un 'nouveau' processus luminescent à haute efficacité. Nous espérons trouver des applications plus appropriées basées sur le réglage fin du processus de désintégration de ce type de sondes."

L'utilisation combinée d'émetteurs à haute densité d'ytterbium et d'une approche résolue en temps a permis de maximiser le nombre d'émetteurs, l'efficacité de conversion de la lumière et la luminosité globale de l'agent de contraste, et ainsi améliorer considérablement la sensibilité de détection, résolution et profondeur.

Le professeur Jin a déclaré que c'était un autre exemple de la façon dont les percées en physique peuvent conduire au développement de technologies médicales nouvelles et améliorées, citant l'évolution, et révolution, dans les méthodes de diagnostic telles que les rayons X, Imagerie CT et TEP.