Новое исследование от схем Калифорнийского технологического института, как техника белка могла бы помочь достигнуть этого этапа. Исследователи спроектировали наноструктуры с оболочкой белка, названные газовыми пузырьками – которые отражают звуковые волны – чтобы показать новые свойства, полезные для технологий ультразвука. В будущем этими газовыми пузырьками можно было управлять пациенту, чтобы визуализировать ткани интереса.
Измененным газовым пузырькам показали: испустите более отличные сигналы, делая их легче к изображению; будьте нацелены на определенные типы клетки; и помощь создает цветные изображения ультразвука.«Это несколько похоже на разработку с молекулярным Legos», говорят доцент химического машиностроения и Научный руководитель Наследия Михаил Шапиро, который является ведущим автором новой статьи об исследовании, изданном в выпуске этого месяца журнала ACS Nano и показанном на покрытии журнала.«Мы можем обменять различный белок ‘части’ на поверхности газовых пузырьков, чтобы изменить их свойства планирования и визуализировать многократные молекулы в различных цветах».
«Сегодня, ультразвук главным образом анатомический», говорит Анупама Лэкшмэнэн, аспирант в лаборатории Шапиро и ведущий автор исследования. «Мы хотим понизить его до молекулярного и клеточного уровня».В 2014 Шапиро сначала обнаружил потенциальное использование газовых пузырьков в отображении ультразвука.
Эти газонаполненные структуры естественны в живущих в воде одноклеточных организмах, таковы как flos-воды Anabaena, разновидность cyanobacteria, которые формируют волокнистые глыбы цепей мультиклетки. Газовые пузырьки помогают контролю за организмами, сколько они пускают в ход и таким образом их воздействие солнечного света в поверхности воды. Шапиро понял, что пузырьки с готовностью отразят звуковые волны во время отображения ультразвука, и в конечном счете продемонстрировали это использование мыши.В последнем исследовании Шапиро и его команда намереваются давать газовым пузырькам новые свойства техническим газовым белком пузырька C или GvpC, белок, естественно найденный на поверхности пузырьков, которая дает им механическую силу и препятствует тому, чтобы они разрушились.
Белок может быть спроектирован, чтобы иметь различные размеры с более длительными версиями белка, производящего более сильные и более жесткие наноструктуры.«Белки похожи на развивающиеся пруты фюзеляжа самолета. Вы используете их, чтобы определить механику структуры». Шапиро говорит.
В одном эксперименте ученые удалили усиливающийся белок из газовых пузырьков и затем управляли спроектированными пузырьками мышам и выполнили отображение ультразвука. По сравнению с нормальными пузырьками измененные пузырьки вибрировали больше в ответ на звуковые волны, и таким образом нашли отклик у гармонических частот.
Гармоника создана, когда звуковые волны подпрыгивают вокруг, например в скрипке, и формируют новые волны с удвоенными и утроенными частотами. Гармоника с готовностью не создана в естественных тканях, заставив пузырьки выделиться по изображениям ультразвука.
В другом наборе экспериментов исследователи продемонстрировали, как газовые пузырьки могли быть сделаны предназначаться для определенных тканей в теле. Они генетически спроектировали пузырьки, чтобы показать различные клеточные цели, такие как последовательность аминокислот, которая признает белки, названные integrins, которые перепроизведены в опухолевых клетках.«Добавление этих функциональностей к газовым пузырькам похоже на моментальный снимок на новой части Lego; это – модульная система», говорит Шапиро.
Команда также показала, как могли бы быть созданы многокрасочные изображения ультразвука. Обычные изображения ультразвука кажутся черными и белыми. Группа Шапиро создала подход для отображения три различных типов газовых пузырьков как отдельные «цвета» на основе их отличительной способности сопротивляться краху под давлением.
Сами пузырьки не появляются в различных цветах, но им можно назначить цвета на основе их различных свойств.Чтобы продемонстрировать это, команда сделала три различных версии пузырьков с переменными преимуществами белка GvpC.
Они тогда увеличили давления ультразвука, заставив различное население последовательно разрушиться один за другим. Поскольку каждое население разрушилось, полный сигнал ультразвука уменьшился в пропорции на сумму того варианта в образце, и это изменение сигнала было тогда нанесено на карту к определенному цвету.
В будущем, если бы каждое различное население было нацелено на определенный тип клетки, исследователи были бы в состоянии визуализировать клетки в многократных цветах.«Вы могли бы быть в состоянии видеть опухолевые клетки против иммуноцитов, нападая на опухоль, и таким образом контролировать прогресс лечения», говорит Шапиро.