Scientists at the University of Nottingham have developed an ultrasonic imaging system, which can be deployed on the tip of a hair-thin optical fibre, and will be insertable into the human body to visualise cell abnormalities in 3D.

The new technology produces microscopic and nanoscopic resolution images that will one day help clinicians to examine cells inhabiting hard-to-reach parts of the body, such as the gastrointestinal tract, and offer more effective diagnoses for diseases ranging from gastric cancer to bacterial meningitis.

The high level of performance the technology delivers is currently only possible in state-of-the-art research labs with large, scientific instruments — whereas this compact system has the potential to bring it into clinical settings to improve patient care.

The Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) -funded innovation also reduces the need for conventional fluorescent labels — chemicals used to examine cell biology under a microscope — which can be harmful to human cells in large doses.

The findings are being reported in a new paper, entitled ‘Phonon imaging in 3D with a fibre probe’ published in the journal, Light: Science & Applications ("Phonon imaging in 3D with a fibre probe”)

Paper author, Salvatore La Cavera, an EPSRC Doctoral Prize Fellow from the University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, said of the ultrasonic imaging system: “We believe its ability to measure the stiffness of a specimen, its bio-compatibility, and its endoscopic-potential, all while accessing the nanoscale, are what set it apart. These features set the technology up for future measurements inside the body; towards the ultimate goal of minimally invasive point-of-care diagnostics.”

Currently, at the prototype stage, the non-invasive imaging tool, described by the researchers as a “phonon probe”, is capable of being inserted into a standard optical endoscope, which is a thin tube with a powerful light and camera at the end that is navigated into the body to find,  analyse,  and operate on cancerous lesions, among many other diseases. Combining optical and phonon technologies could be advantageous; speeding up the clinical workflow process and reducing the number of invasive test procedures for patients.

3D mapping capabilities

Just as a physician might conduct a physical examination to feel for abnormal ‘stiffness’ in tissue under the skin that could indicate tumours, the phonon probe will take this ‘3D mapping’ concept to a cellular level.

By scanning the ultrasonic probe in space, it can reproduce a three-dimensional map of stiffness and spatial features of microscopic structures at, and below, the surface of a specimen (e.g. tissue); it does this with the power to image small objects like a large-scale microscope, and the contrast to differentiate objects like an ultrasonic probe.

“Techniques capable of measuring if a tumour cell is stiff have been realised with laboratory microscopes, but these powerful tools are cumbersome, immobile, and unadaptable to patient-facing clinical settings. Nanoscale ultrasonic technology in an endoscopic capacity is poised to make that leap,” adds Salvatore La Cavera.

The optical fibre imaging sensor has a diameter of 125 micrometres approximately the size a human hair. Читать запись полностью »

Researchers reported a comprehensive investigation of a promising type of nanoparticle that could potentially be used for intractable brain cancers in combined therapy. The study, which was led by Dr Moeava Tehei and researchers from the University of Wollongong in combination with clinical partners, characterised and evaluated the properties of nanoparticles made from lanthanum manganite, that were doped with silver atoms. The investigators found that the nanoparticles had a potential clinical application for their synergistic effects to be used in combination with radiation treatment, hyperthermia (using heat to kill cancer cells) and their intrinsic toxicity to cancer cells. The research was published in Materials Science & Engineering C («First extensive study of silver-doped lanthanum manganite nanoparticles for inducing selective chemotherapy and radio-toxicity enhancement»). Nanoparticles are small enough to cross the blood-brain barrier that prohibits other therapies. In addition to a wide variety of other methods of analysis, studies of the magnetic properties were undertaken at ANSTO. The magnetic properties were important because they could be used to get the nanoparticles to the target cancer site and in magnetic hyperthermia treatment. Dr Kirrily Rule, a co-author on the paper, supervised investigations of magnetic and chemical changes to nanoparticles of silver-doped lanthanum manganite at two temperatures on the high-resolution powder diffractometer Echidna at ANSTO’s Australian Centre for Neutron Scattering. Although an expert in the magnetic behaviour of low-dimensional materials with quantum properties, Rule said she was excited by the opportunity to change focus and assist in medical physics-related research. The magnetic behaviour of the nanoparticles at two temperatures was important to the study because the magnetic properties of the silver-doped nanoparticles change at different transition temperatures. The magnetism measurements on Echidna were performed at 10 degrees Kelvin and 300 Kelvin. At about 300 degrees Kelvin, close to body temperature, the magnetic ordering stops. “There is a critical temperature region for hyperthermia treatment,” said Rule. The magnetisation results indicated that the nanomaterial was more likely to order ferromagnetically and that the ordering temperature when the magnetic moments aligned, was higher for a higher percentage of silver. “So, it appears that the silver was responsible for the higher transition temperatures of these nanoparticles,” said Rule. The most promising sample for hyperthermia and cancer toxicity was lanthanum manganite that was doped with a 10 per cent concentration of silver, as it retained a level of ferromagnetism at 300 degrees Kelvin. However, Dr Tehei said that the 5 per cent doping may turn out to be the most interesting when combined with radiation because of its selectivity and cancer toxicity. This suggested to the investigators that the temperature range for hyperthermia treatments could be manipulated by modifying the doping percentage. Importantly, the biological effects of the nanoparticles and doped nanoparticles were toxic to cancer cells but not the normal cells. The research helped elucidate how the doped nanoparticles were killing cancer cells by producing high levels of reactive oxidative stress. Source: ANSTO,  Nanowerk News,  Apr. 16, 2021

Американские физики построили микрофлюидное устройство, которое целенаправленно отбирает из крови скопления раковых клеток с эффективностью на уровне 70 процентов.

По словам ученых, новое устройство позволит разобраться в механизме образования метастазов и поможет разработать лекарство, предотвращающее этот процесс. Статья опубликована в AIP Advances.

Около 90 процентов случаев смерти от рака связывают с развитием метастазов, то есть распространением раковых опухолей на новые органы. В основном образование метастазов связано с небольшими скоплениями раковых клеток, которые отрываются от существующих опухолей и перемещаются в новые органы вместе с кровью. Если бы врачи умели отлавливать и уничтожать такие сгустки, это бы замедлило процесс метастазирования и, возможно, спасло бы много жизней. К сожалению, свойства таких сгустков изучены плохо. Это затрудняет разработку фильтрующих устройств.

Прежде чем исследовать сгустки раковых клеток, их сначала нужно изолировать и выделить из крови. Проблема в том, что сделать это на практике очень сложно: большинство методов извлечения раковых клеток требуют предварительной обработки образца, разрушающей значительную часть нужных клеток. Более того, все такие методы могут работать только с небольшими объемами (порядка одного-двух миллилитров) и слабыми потоками жидкости (менее 20 микролитров в минуту). Поэтому для сбора большого количества раковых клеток требуется ждать довольно много времени. Это не только усложняет исследования раковых клеток, но и влияет на свойства клеток, долго дожидавшихся эксперимента. Создавать фильтрующее устройство для очистки крови на основе таких методов также бессмысленно.

Поэтому группа ученых под руководством Питера Терьете (Peter Teriete) разработала микрофлюидный прибор, который почти на порядок увеличивает скорость выделения сгустков раковых клеток из крови.

NanoNewsNet

AIP Advances.

Схематическое изображение процесса уничтожения раковых

клеток при помощи облучения золотых нанотрубок лазерным излучением ближней ИК-области

Согласно последней работе ученых из Великобритании, нанотрубкииз золота  могут использоваться для эффективного фототермального уничтожения раковых клеток. Трубки, являющиеся по сути наночастицами золота с трубчатой структурой, также могут использоваться в качестве инструмента для доставки лекарственных средств или в роли нанозондов для медицинской визуализации пораженных областей с высоким разрешением.

Все живые клетки, в том числе раковые, могут быть уничтожены при помощи нагревания. В то время как некоторые раковые клетки могут быть устойчивы к химиотерапии, все они разрушаются при воздействии тепла, необходимо лишь обеспечить достаточно высокую температуру. Радиочастотная абляция и сфокусированное ультразвуковое излучение высокой интенсивности уже используются для удаления опухолей. В своей последней работе группа ученых из University of Leeds (Великобритания) также обнаружила, что в качестве альтернативы можно использовать фототермальное уничтожение клеток, в рамках которого задействуются золотые нанотрубки, облучаемые лазерным излучением из ближней инфракрасной области. Важно, что опубликованная работа – первый случай, когда поглощение света из ближней ИК-области золотыми наноструктурами применяется в биомедицине.

В опубликованной в журнале Advanced Functional Materials работе ученые отмечают, что им удалось контролировать длину золотых нанотрубок при их производстве. Таким образом, они производили наноструктуры, чьи размеры обеспечивают оптимальное поглощение света в ближней ИК области спектра электромагнитного излучения. Надо отметить, что этот диапазон имеет важное значение для биомедицины, поскольку биологические ткани хорошо поглощают подобное излучение. В результате при помощи одного импульса лазерного луча ученым удалось быстро увеличить температуру в непосредственной близости от нанотрубок (в процессе нагревались и сами нанотрубки), что позволило быстро и достаточно эффективно разрушить раковые клетки. Поскольку излучение из ближнего ИК-диапазона проникает в ткани на несколько сантиметров, при помощи такого теплового эффекта могут удаляться многие виды опухолей. Читать запись полностью »

                                    Новое изобретение израильских и американских ученых способно диагностировать рак    легких по выдыхаемому воздуху на раннем этапе заболевания.  Устройство со   встроенным наночипом, анализирующее выдыхаемый воздух, выявляет наличие   опухолей легкого, их подтипы и стадии развития. Фото предоставлено Тель-Авивским университетом.

Как отмечают специалисты, точность поставленного диагноза весьма высока и позволяет начать лечение еще до того, как станет поздно.

Похожий на алкотестер прибор со встроенным наночипом «NaNose» анализирует выдыхаемый человеком воздух, идентифицируя вид опухоли и стадию ее развития. Данные разработки были представлены на последней конференции Американского общества клинической онкологии (ASCO), прошедшей в Чикаго, говорится в заметке, опубликованной на сайте medportal.ru. Читать запись полностью »

Возможности применения магнитных наночастиц для лечения раковых заболеваний исследуются уже примерно 10 лет. Сущность метода заключается в доставлении магнитных наночастиц к раковой клетке и включении высокочастотного магнитного поля. Под влиянием магнитного поля наночастицы разрывают мембраны раковых клеток, проделывают в них дыры и, тем самым, уничтожают их. Есть большое количество работ, в которых сообщается, что раковые клетки погибают при определенной температуре, которая возникает в клетках за счет взаимодействия магнитных наночастиц  с магнитным полем.

При применении этого метода необходимо решить ряд проблем. Известно, что одной из основных проблем онкологии является создание эффективных маркеров, способных распознавать раковые клетки среди здоровых с тем, чтобы впоследствии разрушать их, не причиняя вреда здоровым клеткам.

Целью данного проекта является получение комплекса магнитных наночастиц с маркером раковых клеток с дальнейшей доставкой наночастиц к раковым клеткам и уничтожения последних с помощью высокочастотного магнитного поля. Читать запись полностью »