一个研究小组已经证明了美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发的发光纳米粒子如何用于观察活体组织的深层。

特别设计的纳米粒子可以被认为对人体安全的近红外波长的超低功率激光激发。它们吸收这种光，然后发出可通过标准成像设备测量的可见光。

这些纳米颗粒的开发和生物成像应用在8月6日在线发表于Nature Communications的研究中有详细描述。伯克利实验室分子铸造厂和加州大学伯克利分校，加州大学旧金山分校和哥伦比亚大学的其他研究人员也参与了这项研究。

研究人员希望进一步开发这些所谓的合金上转换纳米粒子或aUCNP，以便它们可以附着到细胞的特定组分上，以用于先进的成像系统，以便照亮甚至单个癌细胞。这样的系统最终可以指导高精度手术和放射治疗，并有助于消除甚至非常微小的癌症痕迹。

“激光甚至比标准的绿色激光指针更弱，我们可以深入到组织中，”布鲁斯科恩说，他是伯克利实验室分子铸造厂科学团队的一员，该团队与加州大学旧金山分校的研究人员一起调整纳米粒子医疗用途。Molecular Foundry是美国能源部科学用户设施办公室，专门从事纳米科学研究 - 来自全国和世界各地的科学家都可以访问它。

科恩指出，一些现有的成像系统使用更高功率的激光，这可能会损坏细胞。

“面临的挑战是：我们如何在不损害生命系统的情况下以高灵敏度对生命系统进行成像?低功率光和低激光功率的结合是该领域的每个人都在努力的一段时间，“他说。aUCNP所需的激光功率比传统近红外成像探头所需的功率低数百万倍。

在这项最新研究中，研究人员已经证明了aUCNPs如何在几毫米深度的活体小鼠组织中成像。他们很激动，激光足够弱，不会造成任何伤害。

研究人员将纳米颗粒注入小鼠的乳房脂肪垫中，并记录了颗粒发出的光的图像，这些图像似乎对细胞没有任何毒性。

需要进行更多测试，以了解伯克利实验室生产的aUCNPs是否可以安全地注入人体，以及测试涂层Berkeley Lab科学家正在设计特异性结合癌细胞。

参与最新研究的放射肿瘤学家和加州大学旧金山分校助理教授Mekhail Anwar博士指出，有许多医学扫描技术可以定位癌症 - 从乳房X线照片到MRI和PET-CT扫描 - 但这些技术可能缺乏精确的细节，非常小的尺度。

“我们确实需要确切了解每个癌细胞的位置，”Anwar说，他是一名Foundric用户，他在分子铸造科学家的研究中与他合作。“通常我们说你很幸运，因为我们很早就赶上了，癌症只有一厘米左右 - 大约10亿个细胞。但是，较小的一组细胞隐藏在哪里?“

分子铸造厂的未来工作将有望改善使用aUCNP成像癌症的技术，他说，研究人员正在开发一种成像传感器，可与附着于外科手术的纳米颗粒结合设备甚至手术手套，以确定外科手术过程中的癌症热点。

实验室开发UCNP的一个突破是找到提高其在更高能量下发射吸收光的效率的方法，分子铸造厂的一名科学家Emory Chan说，他也参与了最新的研究。

几十年来，研究界一直认为，生产这些所谓的上转换材料的最佳方法是将它们用低浓度的金属(称为镧系元素)进行植入或“掺杂”。研究人员认为，太多的这些金属会导致它们发出的光线随着这些添加的金属的增加而变得不那么明亮。

但是由Molecular Foundry研究人员Bining“Bella”Tian和Angel Fernandez-Bravo领导的实验，他们制作了富含镧系元素的UCNP并测量了它们的特性，颠覆了这种普遍的理解。

对单个UCNP的研究证明特别有价值的是，铒(一种以前认为仅在光发射中起作用的镧系元素)也可以直接吸收光并释放另一种镧系元素镱，以吸收更多的光。参与最新研究的Molecular Foundry的科学家Emory Chan将铒在UCN中新发现的多任务角色描述为“三重威胁”

。最新研究中使用的UCNP约为12-15纳米(十亿分之一)一米 - 横跨 - 小到足以让它们渗透到组织中。“他们的贝壳长得像洋葱，一次一层，”陈说。

现在哥伦比亚大学的研究参与者和前伯克利实验室科学家Jim Schuck指出，最新的研究建立在Molecular Foundry长达十年的努力之上，用于理解，重新设计和寻找UCNP的新应用。

“这种UCNP设计的新范例，可以产生更明亮的粒子，是所有单UCNP成像应用的真正游戏改变者，”他说。

Molecular Foundry的研究人员将研究如何使用机器人自动化制造纳米粒子，并在其上涂上选择性结合癌细胞的标记物。

科恩说，与加州大学旧金山分校的合作为UCNP开辟了新的探索途径，他预计研究工作将会增长。