Sprider ljus över bättre cancervård och medicinsk avbildning

NYHET

Publicerad 2017-10-20

I en nypublicerad artikel i tidskriften Nature Communications redogör KTH-forskare för hur två olika teknologier kan kombineras för att uppnå ultrahög upplösning för avbildning i flera färger av olika typer av strukturer, exempelvis mänsklig vävnad. Ner till 60 nanometer har forskarna nått, och bland tänkbara framtida användningsområden hoppas de på bättre medicinsk avbildning än idag och användande av IR-lasrar för att döda cancerceller. Det finns även hypoteser om att använda tekniken för att stimulera nervimpulser i hjärnan med ljusets hjälp.

KTH-forskarna har jobbat med en kombination av så kallad STED-teknik (Stimulated Emission Depletion Microscopy, som tilldelades Nobelpriset i kemi 2014), och uppkonverteringsteknologi.

– Forskarna har varit aktiva de senaste tio åren inom uppkonverteringsteknologin som bygger på nanopartiklar bestående av lantanider. Lantanider är en grupp av grundämnen som återfinns långt ned i det periodiska systemet och som ursprungligen upptäcktes i Ytterby gruva utanför Vaxholm, säger Hans Ågren, professor i teoretisk kemi vid KTH. 

Han berättar vidare att det tog lång tid efter upptäckten innan man kunde förutspå ämnenas fantastiska egenskaper eller deras användbarhet i det vi idag kallar nanoteknologi. En av dessa egenskaper, som legat till grund för en mångfald tillämpningar, är att partiklarna kan nyttjas till att omvandla ljus från en våglängd till en annan. Detta kan ske med låg strålningsintensitet, enkelt tillhandahållet via billiga lasrar eller till och med glödlampor och ljusdioder. 

– Genom att kombinera lantanider med deras kemiska omgivning kan partiklarna skräddarsys för att åstadkomma konverterad ljusemission vid ett antal önskade våglängder. Denna flexibilitet i designen utgör grunden för dessa grundämnes rika tillämpningar. Man kan här nämna icke-invasiv medicinsk diagnostik av sjukdomar i tidiga stadier. Sådant som har med strukturella och funktionella förändringar av biostrukturer och mänsklig vävnad att göra, och som kan mätas med hjälp av optisk avbildning. 

Det är detta som också demonstereras i den nya studien som publicerats i Nature Communications. Här nyttjar forskarna det faktum att IR-fotoner är idealiska för avbildning med hög konstrast, låg ljusspridning och god förmåga att tränga djupt in i vävnaden.

– Vi ser många framtida tillämpningar. Allt från bioavbildning och fotodynamisk behandling av cancer på betydligt större vävnadsdjup än vad dagens metodik tillåter, till ny medicinsk nanoteknologi som optogenetik. Det vill säga styrning av nervimpulser genom att utnyttja den effektiva IR/UV-transformation som partiklarna ger.

Fotodynamisk behandling av cancer är en etablerad metod där man använder UV-laser för att döda cancerceller. Problemet är att UV-ljus stoppas inom en millimeter, medan IR går igenom centimetervis.

– Idag används fotodynamisk terapi mest för hudcancer på grund av UV-strålningens dåliga penetration. Kan man istället arbeta med IR och konvertera det till UV långt inne i vävnaden kan man nå cancern även där. 

Optogenetik å sin sida är ytterst kortfattat en biologisk teknik som går ut på att använda ljus för att styra nervimpulser i levande vävnad.
Hans Ågren berättar att fördelen med IR-uppkonvertering i detta område är att IR även tränger igenom ben, till exempel skallbenet. Därmed kan man manipulera nervimpulser inne i hjärnan med en IR-laser utifrån, genom att aktivera vissa typer av rodopsin-proteiner.  

– Idag är det lite lagom "science fiction", men det är inom räckhåll även om det finns en mängd etiska problem involverade. Man kan också genmanipulera fram sådan proteiner, därav namnet optogenetik.

Hans Ågren spekulerar om att en framtida applikation av uppkonverteringsteknologi inom optogenetik skulle kunna vara att hjälpa förlamade patienter genom att ljusstimulera nervimpulser. 

– Med de partiklar vi jobbar med så skulle man i princip kunna göra det med en laser utanför kroppen. Det är nog långt till dess, men samtidigt inspirerande. 

Det är relevant i sammanhanget att nämna att forskarna också arbetar med olika tillämpningar av dessa nanopartiklar för energikonvertering i solceller. Partiklarnas förmåga att skifta våglängd kan användas för att fånga upp och utnyttja solens ultravioletta (UV) och infraröda (IR) spektralområden som är dåligt representerade i dagens solceller, och som utgör cirka 50 procent av solens energi. Principen är enkel - genom att växla UV- respektive IR-fotoner till fotoner i det synliga våglängdsområdet kan man fortfarande använda vanliga solceller som opererar inom det området.

– Med vår forskning utvecklar vi nu tillämpningar av ljus-konverterande nanopartiklar inom områdena hälsa och energi. Med rationell design av nya typer av partiklar genom ett tätt samspel mellan modellering, syntes och karaktärisering har vi uppnått flera internationellt uppmärksammade resultat.

Forskarna bakom rapporten och den vetenskapliga artikeln är Haichun Liu och Hans Ågren, båda anställda på skolan för bioteknolog vid KTH, samt Sailing He på skolan för elektro- och systemteknik vid samma lärosäte. Forskarna har samarbetat med ett kinesiskt team inom ramen för KTH:s forskningscenter JORCEP (Sino-Swedish Joint Center of Photonics).

Här är den vetenskapliga artikeln.

Text: Peter Ardell

För mer information, kontakta Hans Ågren på 08 - 790 99 83 eller hagren@kth.se.

Till sidans topp