Onderzoekers van de Penn State University hebben een techniek ontwikkeld waarmee het mogelijk is om de traditionele zwart-wit beelden van röntgen- en CT-scanners in kleur weer te geven. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van nieuwe contrastmiddelen, voorzien van metalen nanoprobes, voor twee eiwitten die gelieerd worden aan osteoartritis, een degeneratieve gewrichtsaandoening die ook bekend staat als slijtage-artritis.
De betreffende eiwitten met de contrastmiddelen te markeren zijn de onderzoekers erin geslaagd onderzoekers geavanceerde beeldvorming, K-edge of foton-tellende computertomografie genaamd, te gebruiken. Daarmee kunnen afzonderlijke biologische processen in kleur weergegeven worden, waardoor meer informatie over de progressie van de ziekte kan worden onthuld dan bij een traditionele scan. De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in Advanced Science.
Snellere diagnoses
De tests met deze nieuwe contrastmiddelen zijn vooralsnog alleen uitgevoerd bij ratten. Uit de tests bleek dat de nieuwe techniek onderzoekers en clinici in staat stelt om voorheen verborgen processen in kleur te zien en bewijs van de ziekte waar te nemen lang voordat zich klinische symptomen ontwikkelen.
“Als we een contrastmiddel - een metalen nanosonde - kunnen ontwikkelen dat is afgestemd op het identificeren en kwantificeren van doeldeeltjes, is er heel weinig dat we niet kunnen zien met de foton-tellende CT-scanner”, aldus onderzoeker Nivetha Gunaseelan, doctoraalstudent biomedische techniek aan Penn State.
Relatief nieuwe technologie
Het onderzoek is gebaseerd op een relatief nieuwe technologie, de foton-counting computertomografie (CT)-scanner. Daarop is hetzelfde bot, spier en vet te zien als op conventionele CT-scanners, maar een veel breder vermogen heeft om verschillende componenten te scheiden met een hogere resolutie en in aangewezen kleuren.
Een model van geavanceerde scanner, afkomstig van Siemens, werd door de Amerikaanse Food and Drug Administration goedgekeurd voor klinisch gebruik en wordt nu in sommige ziekenhuizen geplaatst. Echter, de kleinschaliger, moleculaire beeldvormingsmogelijkheden voor klinische toepassingen zijn grotendeels onontgonnen terrein gebleven, aldus de onderzoekers.
De foton-tellende CT-scanner spoort materialen op met unieke K-edge identiteiten, wat verwijst naar hoe elektronen in een materiaal energie absorberen. Elektronen zitten op een K-schil, een soort omhulsel dat de kern van een atoom omvat. Als er energie wordt geabsorbeerd van fotonen, of lichtdeeltjes, kunnen de elektronen naar meer externe schillen springen. Het atoom kan een bepaalde hoeveelheid energie absorberen en wanneer die grens wordt bereikt, zendt het atoom een lichtflits uit.
De onderzoekers kunnen de scanner vertellen om die specifieke lichtemissie, die de K-edge wordt genoemd, te volgen. Als een materiaal met een kenmerkende K-edge zich ook richt op een specifiek eiwit, kunnen de onderzoekers de scanner gebruiken om de activiteit van dat eiwit te volgen.
“Deze op K-edge gebaseerde beeldvormingsmethode met hoge resolutie kan mogelijk worden gebruikt om meerdere biologische doelen af te beelden, waardoor het mogelijk wordt om de progressie van een ziekte te volgen door de verhouding van de expressie van eiwitten te meten”, aldus Dipanjan Pan, hoogleraar nanogeneeskunde bij Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck en hoogleraar materiaalwetenschappen en nucleaire techniek bij Penn State.
Ontwikkeling nanosondes
De onderzoekers hebben twee K-edge metalen nanosondes, gemaakt van praseodymium en hafnium, ontwikkeld. De probes richten zich op twee eiwitten in kraakbeenweefsel: aggrecan en aggrecanase. Aggrecan, dat zorgt voor de structuur en het vermogen van kraakbeen om gewicht te dragen, is overvloedig aanwezig in gezonde gewrichten en in vroege stadia van artrose.
Aggrecanase, dat aggrecan splitst en de mogelijkheden van kraakbeen beperkt, is overvloedig aanwezig in de late stadia van artrose. Naarmate de ziekte voortschrijdt, verschuift de verhouding van de eiwitten, wat meetgegevens oplevert om de ziektestatus te volgen.
Het team gebruikte de foton-tellende CT-scanner om in een diermodel te zien hoe de verhouding verschoof naarmate de ziekte voortschreed. Ze gebruikten aanvullende beeldvorming en experimentele validatie om hun resultaten te bevestigen.
