(Phys.org) — L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie biomédicale hybride, basé sur l'effet photoacoustique, dans lequel des impulsions laser non ionisantes sont délivrées dans les tissus biologiques. (Plus précisement, dans l'effet photoacoustique, des ondes sonores se forment en raison des changements de pression lorsqu'un matériau absorbe une lumière modulée ou pulsée d'intensité variable. Ces ondes sont ensuite détectées par, par exemple, microphones ou capteurs piézoélectriques. Le signal photoacoustique résultant est le courant ou la tension qui fournit la valeur indiquant comment les ondes sonores varient dans le temps.) Récemment, des scientifiques de l'Université de Stanford ont développé une nouvelle classe d'agents de contraste pour l'imagerie moléculaire photoacoustique - à savoir, nanoparticules de polymère semi-conducteur absorbant la lumière proche infrarouge (NIR) qui produisent un signal plus fort que les nanotubes de carbone à paroi simple et les nanotiges d'or - propriétés qui ont permis aux chercheurs d'effectuer une cartographie photoacoustique des ganglions lymphatiques du corps entier sur des souris de laboratoire vivantes. En outre, ces nanoparticules polymères semi-conductrices possèdent une grande flexibilité structurelle, profils spectraux photoacoustiques étroits et forte résistance à la photodégradation et à l'oxydation - qualités essentielles à la conception de la première sonde photoacoustique ratiométrique proche infrarouge pour in vivo imagerie en temps réel des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui interviennent dans de nombreuses maladies. En bref, disent les chercheurs, leurs résultats montrent que les nanoparticules polymères semi-conductrices sont la nanoplate-forme parfaite pour le développement de sondes moléculaires photoacoustiques.

Le professeur Jianghong Rao a discuté de l'article qu'il, Dr. Kanyi Pu et leurs co-auteurs publiés dans Nature Nanotechnologie . "Premièrement, il y a plusieurs propriétés idéales qu'une sonde d'imagerie photoacoustique devrait avoir, " Rao dit à Phys.org. " Ce ne sont pas ou peu de toxicité, haute efficacité photoacoustique, excellente photostabilité et stabilité chimique, absorption dans la longueur d'onde infrarouge ou proche infrarouge pour éviter l'absorption de la lumière de fond des tissus et obtenir une meilleure pénétration de la lumière, et - pour une sonde d'imagerie moléculaire - la capacité de générer un contraste d'imagerie photoacoustique spécifique à la cible. " Cependant, Rao continue, les produits de contraste photoacoustique actuels ne répondent généralement pas à toutes ces exigences, ayant soit une mauvaise photostabilité, mauvaise stabilité à l'oxydation, ou des problèmes de toxicité. Alors que l'imagerie photoacoustique promet de faire progresser considérablement la visualisation physiologique et pathologique au niveau moléculaire avec une pénétration profonde des tissus et une résolution spatiale fine, des sondes d'imagerie moléculaire photoacoustique doivent d'abord être développées.

D'autre part, Rao note que les nanoparticules polymères semi-conductrices offrent un certain nombre de caractéristiques intéressantes, notamment en tant qu'agent de contraste d'imagerie photoacoustique, pas d'utilisation de métaux toxiques, étant biologiquement inerte, ayant une photostabilité élevée, résistent à l'oxydation, et la capacité d'être fabriqué avec une absorption élevée de la lumière proche infrarouge. "La question principale, " il explique, « était de savoir s'il était efficace pour les nanoparticules de polymère semi-conducteur de produire des signaux acoustiques après excitation lumineuse - et nous avons dû examiner le type de polymère pour le déterminer. Tout cela dit, le grand défi pour les sondes d'imagerie photoacoustique moléculaire est de savoir si elles peuvent produire un signal spécifique en réponse à leurs cibles moléculaires. Cela nécessite un mécanisme d'activation du signal contrôlé par la cible moléculaire."

En relevant ces défis, Rao dit que leur idée clé était qu'un polymère semi-conducteur peut être formulé en une nanoparticule soluble dans l'eau et, selon sa structure, les nanoparticules résultantes peuvent être très efficaces pour l'imagerie photoacoustique. "Notre innovation clé dans la conception de nanoparticules polymères semi-conductrices dans une sonde d'imagerie moléculaire photo-acoustique a été d'introduire l'imagerie ratiométrique largement utilisée en imagerie par fluorescence, ", dit-il. Les techniques d'imagerie ratiométrique observent les décalages de longueur d'onde d'émission de fluorophores (composés chimiques fluorescents qui peuvent réémettre des photons lors d'une excitation lumineuse) ou en comparant l'intensité d'émission d'une combinaison de fluorophores au lieu de mesurer de simples changements d'intensité. " En excitant la sonde à deux longueurs d'onde différentes, l'activation de la cible entraîne la modification du signal photoacoustique à une longueur d'onde, le rapport des signaux à deux longueurs d'onde changera donc en conséquence. Cela nous a permis de créer un signal photoacoustique spécifique à la cible."

Rao décrit certaines des conclusions intéressantes et importantes de l'article, en commençant par leur démonstration fondamentale que les nanoparticules de polymère semi-conducteur absorbant la lumière proche infrarouge peuvent servir de nanoplate-forme efficace et stable pour permettre aux photons d'être utilisés pour générer des ondes ultrasonores, permettant l'imagerie moléculaire photoacoustique in vivo. "Les nanoparticules de polymère semi-conducteur peuvent absorber une grande quantité de lumière proche infrarouge, " explique-t-il. " L'énergie absorbée est ensuite dissipée sous forme de chaleur pour générer des ondes sonores et ces ondes peuvent être détectées par le transducteur à ultrasons et exploitées à leur tour pour l'imagerie photoacoustique. Abordant un autre résultat - que les sondes d'imagerie moléculaire activables peuvent subir une évolution de signal intrinsèque lors de la détection de cibles ou d'événements moléculaires, fournissant une corrélation en temps réel entre les états activés et non activés de la sonde et les processus pathologiques au niveau moléculaire - Rao souligne que dans cette étude, la sonde produit des signaux photoacoustiques à deux longueurs d'onde différentes (700 nm et 820 nm) avant activation par la cible moléculaire ROS (espèces réactives de l'oxygène). "Après l'activation, " il ajoute, "le signal à 820 nm est perdu, et le signal à 700 nm reste. Ainsi, ce changement de signal reflète la présence et l'activité de la cible. L'acquisition d'images est rapide, ainsi la détection peut être en temps réel. L'imagerie capture le changement moléculaire de la sonde qui reflète l'activité de la cible moléculaire ROS dans la maladie."

L'article souligne que l'utilisation complète du potentiel de l'imagerie photoacoustique à une profondeur et à une résolution spatiale inaccessibles par l'imagerie par fluorescence nécessite de nouveaux matériaux se prêtant à la construction de sondes photoacoustiques activables. « Les sondes activables peuvent permettre de détecter des événements moléculaires physiologiques et pathologiques, " explique Rao. " Cependant, la plupart des sondes activables actuelles reposent sur la fluorescence, qui ne fournit pas la profondeur d'imagerie profonde et la haute résolution spatiale que l'imagerie photoacoustique fait."

Avancer, Rao dit, les scientifiques continuent d'explorer leur application pour l'imagerie - par exemple, imagerie photoacoustique du cancer en attachant une molécule ciblant la tumeur à la nanoparticule. "Un autre domaine sera d'explorer plus de polymères qui absorbent à différentes longueurs d'onde du proche infrarouge, " il ajoute, "permettant de réaliser simultanément l'imagerie de plusieurs cibles. De plus, alors que ce travail démontre l'imagerie des espèces réactives de l'oxygène, d'autres cibles moléculaires, telles que le pH et les espèces enzymatiques, peut être imagée de la même manière. » Rao souligne également qu'il pourrait être possible de combiner la nouvelle approche avec l'administration de médicaments, créant effectivement ce que l'on appelle théranostique nanoparticules pour des applications de santé personnalisées en testant les patients pour des réactions possibles à un nouveau médicament, puis en leur adaptant un traitement en fonction des résultats des tests.

Rao énumère un certain nombre d'applications qui émergeront à la suite de leurs recherches. "Nos recherches conduiront très probablement à l'utilisation de nanoparticules semi-conductrices pour l'imagerie photoacoustique sur des modèles animaux précliniques, telles que l'imagerie des ROS dans les tissus profonds des maladies, ", dit-il. " Cela pourrait également conduire au développement d'autres sondes d'imagerie photoacoustique à base de polymères semi-conducteurs, les sondes de ciblage en conjuguant un ligand de ciblage" (une petite molécule qui forme un complexe avec une biomolécule pour servir un objectif biologique) "et les sondes activables signalent l'activation par des cibles moléculaires autres que les ROS."

Concernant les autres domaines de recherche qui pourraient bénéficier de leur étude, Rao dit à Phys.org que le nouveau nanomatériau devrait améliorer la capacité d'étudier le cancer, neurodégénérative, cardiovasculaire, et de nombreuses autres maladies dans les modèles animaux, et aider à découvrir le rôle des RONS aberrants (espèces réactives de l'oxygène et de l'azote) dans ces maladies et contribuer au développement de nouvelles thérapies. "Avec la traduction de l'imagerie photoacoustique en clinique, " Rao conclut, "il peut également être appliqué à la recherche clinique."

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