Advanced Light Source Imaging, et kraftfuldt værktøj til nanomedicin

Advanced Light Source Imaging, et kraftfuldt værktøj til nanomedicin

I en tid med biomedicinske anvendelser af nanopartikler er det bydende nødvendigt at bestemme, hvordan de påvirker biologiske funktioner og nanopartiklers skæbne. Denne analyse vil positivt bidrage til at optimere nanomedicin, reducere bivirkninger, forbedre den kliniske implementering og maksimere dens effekt.

Undersøgelse: Avancerede lyskildeanalyseteknikker til at udforske nanomedicinens biologiske adfærd og skæbne. Kredit: Kateryna Kon/Shutterstock.com

Den hurtige vækst i avancerede lyskildeanalyseteknologier (ALS) har gjort det muligt for forskere at bestemme nanomedicinens skæbne in vivo. Forskere har for nylig gennemgået ALS-analyseteknologier, især spektroskopi og billeddannelse, for at fremhæve deres anvendelighed til at bestemme nanomedicins biologiske adfærd og skæbne. Denne anmeldelse er tilgængelig i ACS Central Science.

Faktorer, der påvirker nanomedicinens bioidentitet

Forskere har opdaget mange nye nanomedicin, der har anvendelser inden for forskellige områder af biomedicin, herunder lægemiddellevering, diagnostik og terapi. Selvom nanomedicinske applikationer i høj grad har forbedret effektiviteten af ​​konventionelle lægemidler, står forskere over for forskellige udfordringer relateret til deres fremstilling, prækliniske karakterisering og kliniske resultater.

Tidligere undersøgelser har vist, at nanopartiklernes fysisk-kemiske egenskaber, dvs. størrelse, form og ladning, bestemmer nanomedicinens styrke og skæbne. For eksempel, in vivo Dannelsen af ​​en proteinkorona på overfladen af ​​nanopartikler ændrer deres biofordeling og karakteristiske egenskaber, hvilket påvirker nanopartiklernes bioidentitet.

Omdannelsen af ​​nanomedicin inden for det komplekse miljø af biologiske systemer fører også til ændringer i deres overfladeegenskaber og funktion. Imidlertid er den præcise fysisk-kemiske adfærd af nanostrukturerede nanomedicin i det biologiske miljø ikke godt forstået.

Forståelse af de komplekse biologiske funktioner, forholdet mellem et nanomateriale og en biologisk komponent (nano-bio-interaktion), nanomedicinens skæbne og de rumlige og tidsmæssige interaktioner mellem forskellige nanopartikler er vigtig for nanomedicinsk optimering.

Information fra den dybdegående karakterisering af nanomedicin kan hjælpe med det rationelle design af fremtidige nanomedicin, der vil forhindre oxidativ stress, toksicitet, overfladeprotein-coronadannelse og genetisk skade.

Analyse af nanomedicinsk adfærd i biologiske miljøer

Adskillige billeddannende modaliteter såsom elektronmikroskopi, optisk mikroskopi og positronemissionstomografi/enkeltfotonemissionscomputertomografi (PET/SPECT) bruges til at studere adfærden af ​​nanomedicin i dynamiske biologiske miljøer. Selvom elektronmikroskopi, som omfatter scanningstransmissionsmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM), bruges til at tage billeder i høj opløsning, er in situ-billeddannelse af den indre struktur i celler eller væv vanskelig.

Fluorescensmikroskopi er en type optisk mikroskopi, der muliggør billeddannelse i høj opløsning af nanomedicins dynamiske adfærd. En af begrænsningerne forbundet med anvendelsen af ​​denne mikroskopi er imidlertid manglen på egnede fluorescerende prober. PET/SPECT bruges til at afbilde mennesker og små dyr; denne teknik kræver dog radioaktivt mærkede nanomaterialer.

ALS billeddannelse og spektroskopisk analyse for at evaluere nanomedicin i biologiske miljøer

For nylig er ALS-billeddannelse og spektroskopiske teknologier blevet brugt til at studere nano-bio-interaktioner. ALS billeddannelsesteknologi (f.eks. røntgen) tillader dyb penetration ind i prøven og interaktion med stof for at generere fluorescenssignaler. Nogle af de vigtigste fordele ved ALS-teknologi er nem prøveforberedelse, kvantitativ analyse, etiketfri tilgang, in situ billeddannelse, høj opløsning og høj penetrationsdybde. Forskere bruger ALS-baseret teknologi til at bestemme den biologiske adfærd og skæbne for nanomedicin i celler eller væv i deres oprindelige eller semi-native tilstand.

Forfatterne gennemgik adskillige ALS-baserede røntgenmikroskopi og spektroskopi, herunder scanning transmission røntgen mikroskopi (STXM), fuldfelt transmission røntgen mikroskopi (TXM), røntgen absorptionsspektroskopi (XAS) og kohærent diffraktionsbilleddannelse (CDI), der producerer to- eller tredimensionelle (2D eller 3D) billeder.

Disse analyseværktøjer bruges til at bestemme den kemiske form og morfologiske fund af nanomedicin. De giver også information om nano-bio-interaktioner i celler, væv eller organeller med en opløsning på snesevis af nanometer.

Røntgenmikroskopi og spektroskopi giver 3D strukturel information og absorptionsbaseret spektroskopisk information med opløsning i nanoskala. Det er ekstremt vigtigt løbende at udvikle nye analytiske teknologier baseret på næste generation af ALS med større multimodal datafusion, rumlig og tidsmæssig opløsning og overlegne forudsigelsesevner for fuldt ud at forstå samspillet mellem nanomedicin i biologiske miljøer.

Den femtosekund pulserede røntgenfri elektronlaser (XFEL) er en potentiel analysemetode, der muliggør billeddannelse i høj opløsning med hurtig og dynamisk sporing af strukturelle ændringer, fysisk-kemiske tilstande og funktionel udvikling af nanomedicin på atomniveau.

Forskere forklarede, at lys- og elektronmikroskopi giver strukturel og cellulær information, mens massespektroskopi giver molekylære data. På nuværende tidspunkt er det multimodale korrelative ALS-mikroskop synkroniseret med algoritmer blevet verdens største lyskilde-beamline-udvikling.

ALS-baseret mikroskopi giver detaljerede oplysninger om nano-bio-interaktioner, der korrelerer med ændringer i biologiske funktioner. Disse data opnås baseret på samtidig information genereret fra forskellige måletilstande, f.eks. B. Spredning, absorbans, fluorescens osv. Forskerne udtalte, at den samtidige dataindsamlingsproces er fordelagtig i modsætning til sekventielle metoder, fordi den introducerer mindre stråling, hvilket minimerer skade på biologiske prøver.

fremtidsudsigter

I fremtiden er udviklingen i den næste generation af ALS og de tilsvarende algoritmer og integrerede enhedskontrolsystemer påkrævet for at forbedre nedstrøms kvantitativ billeddannelse, især i forbindelse med hastighed og nøjagtighed af 3D-opløsning.

Forskere forklarede, at for at fremme den kliniske implementering af nanomedicin, skal ALS-prøveforberedelse og dataindsamlingsmetoder forbedres. Dette vil muliggøre hurtig screening af kliniske prøver for at vurdere effektiviteten af ​​nanomedicin.

Forfatterne anbefaler samarbejde mellem ALS beamline ingeniører, forskere og klinikere, der kunne udvikle en feedback loop til forbedret klinisk implementering af nanomedicin.

Relation

Cao, M. et al. (2022) Avancerede lyskildeanalytiske teknikker til at udforske nanomedicinens biologiske adfærd og skæbne. ACS Central Science. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00680

Ansvarsfraskrivelse: De synspunkter, der er udtrykt heri, er forfatterens, udtrykt i hans egen kapacitet og repræsenterer ikke nødvendigvis synspunkter fra AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, ejeren og operatøren af ​​dette websted. Denne ansvarsfraskrivelse er en del af vilkårene for brug af denne hjemmeside.

Leave a Comment

Your email address will not be published.