SIREN – Entwicklung von neuen Nanoemittern für das Bioimaging im SWIR-Bereich

Projekt

Fluoreszente chemische Stoffe — Photolumineszierende chemische Stoffe, die als fluoreszierend bezeichnet werden.

Projektlaufzeit
01.07.2021 - 30.12.2024
Projektart
Verbundforschungsprojekt
Projektstatus
Laufend

Kurzbeschreibung

Im deutsch-französischen Projekt SIREN werden fluoreszente Kontrastmittel für das kurzwellige Infrarot-Imaging (SWIR) zur Visualisierung von Gewebestrukturen im Körper entwickelt und charakterisiert. Im Fokus stehen anorganische Nanomaterialien wie Gold-Nanocluster und Halbleiter-Quantenpunkte.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Zweiggelände Adlershof
Richard-Willstätter-Straße 11
12489 Berlin

Gegenstand

Die fluoreszenzoptische Bildgebung für biomedizinische Anwendungen hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Herausforderungen sind dabei eine hohe Eindringtiefe, ein hoher Kontrast und eine hohe räumliche Auflösung, welche durch Lichtstreuung, Absorption und Autofluoreszenz des Gewebes beeinflusst werden. Daher werden neue Kontrastmittel mit einer Emission im kurzwelligen Infrarot (900-1700 nm) benötigt, die eine große Absorption und eine hohe Lumineszenz-Quantenausbeute besitzen.

Ziel

© BAM

Im Projekt SIREN werden BAM und IAB Kontrastmittel aus Gold-Nanoclustern (AuNCs) und schwermetallfreien Ag₂S-Quantenpunkten (QDs) herstellen und ihre optischen Eigenschaften, insbesondere ihre Lumineszenz-Quantenausbeute und Helligkeit, untersuchen. Ihre signalrelevanten spektroskopischen Schlüsseleigenschaften werden dann mit den Werten aus Modellen und Bildgebungs-Studien verglichen. Außerdem werden Werkzeuge und Testmaterialien entwickelt, um SWIR-Lumineszenz-Messungen zu standardisieren.

Methodik

© BAM

BAM und IAB werden verschiedene Synthesestrategien für die Herstellung heller Gold-Nanocluster und wasserlöslicher Ag2S-Quantenpunkte erforschen, indem die kritischen Parameter für die Synthese dieser Nanomaterialien untersucht und gezielt kontrolliert werden. Quantitative Lumineszenzmessungen mit kalibrierten Fluoreszenzspektrometern an der BAM und Bildgebungseinrichtungen in Frankreich werden die Grundlage für die Standardisierung zweckmäßiger SWIR-Kontrastmittel für die Bildgebung bilden.

Partner + Förderer

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Verbundpartner:
Gemeinsames Forschungsprojekt mit dem Institute for Advanced Biosciences (IAB) Grenoble, Frankreich

Finanzierung:
Unterstützung durch die DFG und ANR (DFG: RE 1203/38-1; ANR-20-CE92-0039-01)

Eine Herausforderung für die nicht-invasive optische Bildgebung mit Photolumineszenz-Methoden (PLI) ist die simultane Realisierung einer tiefen Gewebedurchdringung mit einer hohen Nachweisempfindlichkeit, einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung und einer hohen Geschwindigkeit. Ein hierfür vielversprechender Spektralbereich ist der kurzwellige Infrarot-Bereich (SWIR) von ca. 900 nm bis 1700 nm, wo die Streuung, Absorption und Eigenfluoreszenz von Gewebe deutlich reduziert gegenüber dem sichtbaren (400-650 nm) und nahinfraroten (~700-900 nm) Spektralbereich ist. Die Nutzung des SWIR-Spektralbereiches wird derzeit erschwert durch das Fehlen von SWIR-Emittern mit einer hohen Photolumineszenz (PL) Quantenausbeute (QY) und einer hohen Helligkeit, die „sicher“ in vivo eingesetzt werden können, sowie sehr wenigen zuverlässigen Daten zu den optischen Eigenschaften von SWIR-Luminophoren und fehlenden SWIR-Fluoreszenzstandards.

Um die Basis für sensibles und schnelles Imaging im SWIR zu schaffen, haben sich eine deutsche und französische Gruppe mit Expertise in quantitativer optischer Spektroskopie, Photophysik, Sondendesign und optischer Bildgebung zusammengeschlossen, um neue SWIR-Emitter und Bildanalysemethoden zu entwickeln. Dafür werden neue Ansätze zur Herstellung von atomar präzisen Gold-Nanoclustern (AuNCs) und Ag₂S Quantenpunkten (QDs) erforscht und die Lumineszenzeigenschaften dieser Nanomaterialien quantitativ mit kalibrierten Fluoreszenzspektrometern in Lösung und biologisch relevanten Systemen wie Gewebe-Modellen charakterisiert. Strategien zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit und Auflösungen beinhalten die Identifizierung besonders geeigneter SWIR-Spektralbereiche unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Absorptions- und Streueigenschaften von Gewebe und die Herstellung multimerischer AuNCs mit optimierter PL und Helligkeit sowie die Anpassung der Ag₂S-Synthese und Oberflächenchemie. Diese Materialien werden von den französischen Partnern als optische Kontrastmittel für die SWIR-Fluoreszenzbildgebung in biologischen Systemen genutzt sowie zur Entwicklung neuer Bildanalyseverfahren.

Das BAM-Team wird quantitative Lumineszenzdaten molekularer und nanoskaliger SWIR- Emitter mit kalibrierten Messgeräten bestimmen und diese mit der Performance der Luminophore in Bioimaging-Experimenten korrelieren. Diese Korrelation von spektroskopisch ermittelten Signal-relevanten Eigenschaften und Imaging-Signalen wird Design-Kriterien für SWIR-Kontrastmittel liefern. Außerdem werden Konzepte und potenzielle Referenzmaterialien für standardisierte Lumineszenzmessungen im SWIR identifiziert zur Verbesserung der Vergleichbarkeit solcher Messungen und Kontrastmittel. Diese Referenzmaterialien werden die Fluoreszenzstandard-Plattform für PL und QY der BAM ergänzen.