Lo sviluppo recente di agenti di contrasto di dimensioni nanometriche per l’imaging biomedico è stato incoraggiato dalla necessità di una comprensione dei processi biologici a livello molecolare e dai crescenti progressi degli strumenti diagnostici e di terapie innovative [1]. Nanoparticelle di materiale semiconduttore e nanoparticelle d’oro hanno superato le limitazioni di impiego dei fluorofori organici grazie alla loro alta fotostabilità, alla alta efficienza quantica e alla notevole stabilità sia in vivo che in vitro. Tali nanoparticelle sono tuttora in fase di sviluppo al fine di migliorare le proprietà ottiche e in particolare ottenere che la loro emissione cada nella regione del vicino infrarosso, cosa che consentirebbe una indagine degli strati di tessuto più profondi. Il tentativo ulteriore di migliorare l’indagine nel range del visibile e di combinarla con le pre-esistenti tecniche di imaging ha condotto recentemente allo sviluppo di mezzi bimodali, attivi sia in ottico che in Risonanza Magnetica. Certo è che negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo notevole di tutte le tecniche di imaging, come la Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance (MR), Positron Emission Tomography (PET), Single Photon Emission CT (SPECT), Ultrasound (US) e Optical Imaging (OI). Sono tecniche che si differenziano tra loro per molti aspetti, per sensibilità, risoluzione, tempi di acquisizione e costi. Ma sono tecniche complementari più che concorrenziali e la scelta della modalità di imaging dipende sostanzialmente dal tipo di domanda a cui si vuole rispondere. Per molto tempo l’imaging di fluorescenza e bioluminescenza dei campioni biologici è rimasto confinato alla microscopia ottica. Oggi tale tecnica si è ampliata consentendo di operare in vivo su piccoli animali da laboratorio. Sono facilmente immaginabili le potenzialità, riguardo agli sviluppi delle conoscenze di molte diverse patologie, di una tecnica poco invasiva e applicabile in vivo. Certamente l’Optical Imaging non può raggiungere pari livelli di risoluzione o di sensibilità della microscopia ottica o di altre tecniche di visualizzazione a causa dello scattering e dell’assorbimento tissutale della radiazione luminosa. D’altra parte ha però il vantaggio di utilizzare la luce, cioè una radiazione non invasiva, che forma immagini mediante il contrasto di intensità, e più vicina, anche se solo apparentemente, al nostro senso comune di osservare gli oggetti. Tra le tecniche di Optical Imaging la fluorescenza si sta rivelando una delle più efficaci. Le sue capacità dipendono principalmente dalle proprietà intrinseche del fluoroforo utilizzato. I principali limiti sono l’alto scattering dei fotoni dovuto alla non omogeneità del mezzo in cui propagano, l’autofluorescenza dei tessuti e l’alto assorbimento di molecole come l’emoglobina (soprattutto nella zona centrale dell’intervallo di lunghezze d’onda del visibile) e dei lipidi e dell’acqua (principali assorbitori nel vicino infraorosso). Pertanto, a seconda delle lunghezze d’onda impiegate, si possono ottenere diverse profondità di penetrazione. Per esempio i fotoni ultravioletti sono fortemente assorbiti dai principali cromofori naturali, la deossiemoglobina e l’ossiemoglobina, tanto che la loro penetrazione è ridotta ai primi micron o millimetri di tessuto. Fotoni nel vicino infrarosso invece, da 650 a 900 nm, hanno una più alta penetrazione dovuta ad un minor assorbimento tissutale. In tale intervallo l’emoglobina, l’acqua e i lipidi, presentano i minori coefficienti di assorbimento. Il vicino infrarosso è quindi la finestra spettrale di elezione per lo studio in vivo perché permette di analizzare regioni più profonde rispetto a quanto sia possibile fare con la radiazione ultravioletta. Un interessante mezzo di contrasto per l’Optical Imaging, basato su nanoparticelle fluorescenti, è rappresentato dai Quantum dots, nanocristalli di materiale semiconduttore con caratteristiche ottiche peculiari che li differenziano dai tradizionali fluorofori organici. Proprio il fatto che tali cristalli possiedano dimensioni nanometriche rappresenta un aspetto di notevole importanza dato che lo studio del loro metabolismo in vivo può aiutare nella comprensione del comportamento delle nanoparticelle negli organismi viventi ed aiutare a capire problematiche più ampie come la nanotossicità a breve e a lungo termine...

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Tecniche di optical imaging nello studio del metabolismo

BOSCHI, Federico
2008-01-01

Abstract

Lo sviluppo recente di agenti di contrasto di dimensioni nanometriche per l’imaging biomedico è stato incoraggiato dalla necessità di una comprensione dei processi biologici a livello molecolare e dai crescenti progressi degli strumenti diagnostici e di terapie innovative [1]. Nanoparticelle di materiale semiconduttore e nanoparticelle d’oro hanno superato le limitazioni di impiego dei fluorofori organici grazie alla loro alta fotostabilità, alla alta efficienza quantica e alla notevole stabilità sia in vivo che in vitro. Tali nanoparticelle sono tuttora in fase di sviluppo al fine di migliorare le proprietà ottiche e in particolare ottenere che la loro emissione cada nella regione del vicino infrarosso, cosa che consentirebbe una indagine degli strati di tessuto più profondi. Il tentativo ulteriore di migliorare l’indagine nel range del visibile e di combinarla con le pre-esistenti tecniche di imaging ha condotto recentemente allo sviluppo di mezzi bimodali, attivi sia in ottico che in Risonanza Magnetica. Certo è che negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo notevole di tutte le tecniche di imaging, come la Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance (MR), Positron Emission Tomography (PET), Single Photon Emission CT (SPECT), Ultrasound (US) e Optical Imaging (OI). Sono tecniche che si differenziano tra loro per molti aspetti, per sensibilità, risoluzione, tempi di acquisizione e costi. Ma sono tecniche complementari più che concorrenziali e la scelta della modalità di imaging dipende sostanzialmente dal tipo di domanda a cui si vuole rispondere. Per molto tempo l’imaging di fluorescenza e bioluminescenza dei campioni biologici è rimasto confinato alla microscopia ottica. Oggi tale tecnica si è ampliata consentendo di operare in vivo su piccoli animali da laboratorio. Sono facilmente immaginabili le potenzialità, riguardo agli sviluppi delle conoscenze di molte diverse patologie, di una tecnica poco invasiva e applicabile in vivo. Certamente l’Optical Imaging non può raggiungere pari livelli di risoluzione o di sensibilità della microscopia ottica o di altre tecniche di visualizzazione a causa dello scattering e dell’assorbimento tissutale della radiazione luminosa. D’altra parte ha però il vantaggio di utilizzare la luce, cioè una radiazione non invasiva, che forma immagini mediante il contrasto di intensità, e più vicina, anche se solo apparentemente, al nostro senso comune di osservare gli oggetti. Tra le tecniche di Optical Imaging la fluorescenza si sta rivelando una delle più efficaci. Le sue capacità dipendono principalmente dalle proprietà intrinseche del fluoroforo utilizzato. I principali limiti sono l’alto scattering dei fotoni dovuto alla non omogeneità del mezzo in cui propagano, l’autofluorescenza dei tessuti e l’alto assorbimento di molecole come l’emoglobina (soprattutto nella zona centrale dell’intervallo di lunghezze d’onda del visibile) e dei lipidi e dell’acqua (principali assorbitori nel vicino infraorosso). Pertanto, a seconda delle lunghezze d’onda impiegate, si possono ottenere diverse profondità di penetrazione. Per esempio i fotoni ultravioletti sono fortemente assorbiti dai principali cromofori naturali, la deossiemoglobina e l’ossiemoglobina, tanto che la loro penetrazione è ridotta ai primi micron o millimetri di tessuto. Fotoni nel vicino infrarosso invece, da 650 a 900 nm, hanno una più alta penetrazione dovuta ad un minor assorbimento tissutale. In tale intervallo l’emoglobina, l’acqua e i lipidi, presentano i minori coefficienti di assorbimento. Il vicino infrarosso è quindi la finestra spettrale di elezione per lo studio in vivo perché permette di analizzare regioni più profonde rispetto a quanto sia possibile fare con la radiazione ultravioletta. Un interessante mezzo di contrasto per l’Optical Imaging, basato su nanoparticelle fluorescenti, è rappresentato dai Quantum dots, nanocristalli di materiale semiconduttore con caratteristiche ottiche peculiari che li differenziano dai tradizionali fluorofori organici. Proprio il fatto che tali cristalli possiedano dimensioni nanometriche rappresenta un aspetto di notevole importanza dato che lo studio del loro metabolismo in vivo può aiutare nella comprensione del comportamento delle nanoparticelle negli organismi viventi ed aiutare a capire problematiche più ampie come la nanotossicità a breve e a lungo termine...
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