Une nouvelle méthode d'imagerie médicale de l'Université Rice utilise la lumière intense d'un réseau de LED et un détecteur à photodiode à avalanche pour localiser les tumeurs qui ont été marquées par des nanotubes de carbone ciblés par des anticorps. La méthode peut détecter la fluorescence des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) à travers jusqu'à 20 millimètres de tissu. Crédit : Weisman Lab/Université du riz
Baigner un patient à la lumière LED pourrait un jour offrir une nouvelle façon de localiser les tumeurs, selon les chercheurs de l'Université Rice.
Le système de triangulation spectrale développé par le chimiste de Rice Bruce Weisman et ses collègues est destiné à localiser les tumeurs cancéreuses ciblées marquées avec des nanotubes de carbone liés à des anticorps. Il est décrit dans un article de la revue Royal Society of Chemistry Nanoéchelle .
Parce que l'absorption de la lumière infrarouge à ondes courtes dans les tissus varie avec sa longueur d'onde, l'analyse spectrale de la lumière traversant la peau peut révéler la profondeur du tissu à travers lequel cette lumière est passée. Cela permet de déduire les coordonnées tridimensionnelles de la balise à nanotubes à partir d'un petit ensemble de mesures optiques non invasives.
La technique de Rice repose sur le fait que les nanotubes de carbone à paroi unique sont naturellement fluorescents aux longueurs d'onde infrarouges à ondes courtes lorsqu'ils sont excités par la lumière visible. Un détecteur très sensible appelé photodiode à avalanche InGaAs (arséniure d'indium et de gallium) a permis de lire de faibles signaux provenant de nanotubes jusqu'à 20 millimètres de profondeur dans le tissu simulé utilisé pour les tests en laboratoire.
"Nous utilisons un détecteur exceptionnellement sensible qui n'a jamais été appliqué à ce genre de travail auparavant, " dit Weisman, un pionnier reconnu pour sa découverte et son interprétation de la fluorescence dans le proche infrarouge à partir de nanotubes à paroi unique.
"Cette photodiode à avalanche peut compter des photons dans l'infrarouge à ondes courtes, qui est une gamme spectrale difficile pour les capteurs de lumière. L'objectif principal est de voir dans quelle mesure nous pouvons détecter et localiser les émissions de très faibles concentrations de nanotubes à l'intérieur des tissus biologiques. Cela a des applications potentielles dans le diagnostic médical."
L'utilisation de diodes électroluminescentes pour exciter les nanotubes est efficace et peu coûteuse, dit Weisman. "Il est relativement peu conventionnel d'utiliser des LED, " dit-il. " Au lieu de cela, les lasers sont couramment utilisés pour l'excitation, mais les faisceaux laser ne peuvent pas être focalisés à l'intérieur des tissus en raison de la diffusion. Nous baignons la surface du spécimen dans une lumière LED non focalisée, qui diffuse à travers les tissus et excite les nanotubes à l'intérieur."
Des chercheurs de l'Université Rice ont créé une nouvelle façon de localiser les tumeurs cancéreuses à l'aide d'une puissante lumière LED, un détecteur unique et des nanotubes ciblés. De gauche à droite :Bruce Weisman, Michel Vu, Kathleen Beckingham, Ching-Wei Lin et Sergueï Bachilo. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Une petite sonde optique montée sur le châssis d'une imprimante 3D suit un modèle programmé par ordinateur alors que la sonde touche doucement la peau pour effectuer des lectures à des points de grille espacés de quelques millimètres.
Avant d'atteindre le détecteur, la lumière des nanotubes est en partie absorbée par l'eau lorsqu'elle traverse les tissus. Weisman et son équipe utilisent cela à leur avantage. "Une recherche en deux dimensions nous indique les coordonnées X et Y de l'émetteur mais pas Z—la profondeur, " dit-il. " C'est une chose très difficile à déduire d'un balayage de surface. "
La triangulation spectrale surmonte la limitation. "Nous utilisons le fait que différentes longueurs d'onde d'émission de nanotubes sont absorbées différemment en traversant les tissus, " Weisman a déclaré. " L'eau (dans les tissus environnants) absorbe les longueurs d'onde plus longues provenant des nanotubes beaucoup plus fortement que les longueurs d'onde plus courtes.
"Si nous détectons des nanotubes près de la surface, les émissions de longueurs d'onde longues et courtes sont relativement similaires en intensité. On dit que le spectre n'est pas perturbé.
"Mais si la source d'émission est plus profonde, l'eau dans ce tissu absorbe les longueurs d'onde les plus longues de préférence aux longueurs d'onde les plus courtes, " a-t-il dit. " Ainsi, l'équilibre entre les intensités des longueurs d'onde courtes et longues est un critère pour mesurer la profondeur de la source. C'est ainsi que nous obtenons la coordonnée Z."
Le détecteur est actuellement testé dans le laboratoire du Dr Robert Bast, un expert en cancer de l'ovaire et vice-président pour la recherche translationnelle à l'Université du Texas MD Anderson Cancer Center.
"Cela nous donne une chance de voir les nanotubes plus profondément à l'intérieur des tissus, car si peu de lumière émise par les nanotubes parvient à la surface, " a déclaré Weisman. "Nous avons été en mesure de détecter plus profondément dans les tissus que je pense que quiconque d'autre ne l'a signalé."
