為了準(zhǔn)確診斷和治療疾病，醫(yī)生和研究人員需要看到身體內(nèi)部。自不起眼的X射線以來，醫(yī)學(xué)成像工具已經(jīng)走過了漫長的道路，但大多數(shù)現(xiàn)有工具仍然過于粗糙，無法量化身體深層組織內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量或特定類型。

根據(jù)伊利諾伊大學(xué)對老鼠的新研究，量子點(diǎn)可以做到這一點(diǎn)。

“量子點(diǎn)可以測量體內(nèi)非常、非常動態(tài)和復(fù)雜的東西，我們目前看不到。它們使我們能夠計(jì)數(shù)細(xì)胞，檢測它們的確切位置，并觀察隨時間的變化。我認(rèn)為它是真的是一個巨大的進(jìn)步，”AndrewSmith說，他是UofI生物工程系教授，也是ACSNano研究的合著者。

量子點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的納米粒子——只有幾百個原子大小——具有特殊的光學(xué)特性，可通過標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡、斷層掃描(例如PET/CT掃描儀)和熒光成像檢測到。根據(jù)它們的大小和成分，像史密斯這樣的生物工程師可以使它們發(fā)出特定顏色的光，并在紅外光譜中發(fā)光。

“發(fā)出紅外線的光是很少見的。紅外線中的組織發(fā)出的光很少，所以如果你把它們放在身體里，它們會顯得很亮。我們可以深入觀察身體，比我們能更準(zhǔn)確地測量事物使用可見范圍內(nèi)的技術(shù)，”史密斯說。

在ACSNano研究中，Smith及其同事讓量子點(diǎn)在巨噬細(xì)胞上松散。

當(dāng)我們的身體需要吞噬病原體或清理細(xì)胞碎片時，巨噬細(xì)胞就會開始工作。他們的工作之一是引發(fā)炎癥，使環(huán)境不適合有害微生物。但有時他們做得太好了。根據(jù)它們所在的組織，由巨噬細(xì)胞活動引起的慢性炎癥會導(dǎo)致糖尿病、心血管問題、癌癥等。

UofI團(tuán)隊(duì)對脂肪或脂肪組織中的巨噬細(xì)胞特別感興趣。

“隨著體重增加和肥胖，脂肪組織中的巨噬細(xì)胞數(shù)量會增加，并傾向于向炎癥表型轉(zhuǎn)變，這會導(dǎo)致胰島素抵抗和代謝綜合征的發(fā)展。脂肪組織中巨噬細(xì)胞的數(shù)量和位置描述不佳，尤其是在體內(nèi)，”卡夫亨氏公司人類營養(yǎng)學(xué)教授、伊利諾伊大學(xué)動物科學(xué)系人類營養(yǎng)學(xué)教授、研究合著者凱利·斯旺森說。

“我們小組開發(fā)的量子點(diǎn)可以更好地量化和表征脂肪組織中存在的細(xì)胞及其空間分布，”他補(bǔ)充道。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了涂有葡聚糖的量子點(diǎn)，葡聚糖是一種糖分子，也可以靶向脂肪組織中的巨噬細(xì)胞。作為概念驗(yàn)證，他們將這些量子點(diǎn)注射到肥胖小鼠體內(nèi)，并將成像結(jié)果與單獨(dú)的葡聚糖(目前用于巨噬細(xì)胞成像的標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行比較。

量子點(diǎn)在所有成像平臺(包括簡單的光學(xué)技術(shù))上都優(yōu)于單獨(dú)的葡聚糖。

“量子點(diǎn)發(fā)出大量光，使我們能夠更大程度地測量特定細(xì)胞類型并確定它們的位置，”史密斯說。“這種程度的光輸出允許使用光學(xué)技術(shù)，這比其他成像技術(shù)更容易獲得。與MRI和PET掃描儀相比，它們是可以放入小型診所的廉價儀器。每個人都可以擁有一臺。”

盡管量子點(diǎn)尚未在人類身上使用，但斯旺森看到了未來，一種簡單的光學(xué)技術(shù)(如超聲波)可用于非侵入性診斷和追蹤超重患者的炎癥巨噬細(xì)胞。

“可能有一種像超聲波這樣的設(shè)備，你可以在其中掃描某人，即使患者的體重沒有變化，醫(yī)生也可以判斷細(xì)胞類型是否正在發(fā)生變化。更多的炎癥細(xì)胞可以預(yù)測胰島素抵抗和其他問題，”他說.“這就是我對它感興趣的原因，因?yàn)樗脑\斷特性。”

量子點(diǎn)不用于人類，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ涉k和汞等重金屬制成，科學(xué)家們?nèi)匀粵]有弄清楚它們是如何被代謝和從體內(nèi)清除的。史密斯和他的團(tuán)隊(duì)正在研究用更安全的元素制成的量子點(diǎn)，但在那之前，它們?nèi)匀皇且环N非常寶貴的研究工具。例如，它們的長循環(huán)時間——在當(dāng)前研究中是葡聚糖的九倍——可以為診斷人員提供一種超越時間快照的方法。

“即使在一天之內(nèi)，巨噬細(xì)胞的變異性也很大。脂肪組織在一天的中間可能有一個非常高的數(shù)量，然后它會下降很多，”史密斯說。“在動物研究中，我們可以在一天的開始和結(jié)束時犧牲動物來研究這種趨勢，但使用量子點(diǎn)，我們可能不必這樣做。你可以隨著時間的推移追蹤一只動物以觀察它的進(jìn)展。

“量子點(diǎn)在動物研究中提供了巨大的價值。因此，即使量子點(diǎn)不能用于人類，如果我們永遠(yuǎn)找不到使它們無毒的方法，其價值仍然非常大。”