量子精密测量首次应用于肿瘤组织微观磁成像

记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰原始团队与本校生命科学与医学部魏海明教授等合作,在金刚石氮-空位色心量子精密测量技术的生物医学应用方面取得重要进展,首次建立了肿瘤组织免疫磁显微成像技术,实现了组织水平微米分辨率的磁成像,其具有高稳定性、低背景和肿瘤标志物绝对定量的优势,同时实现了磁和光的多模态成像。相关研究成果1月26日发表在《美国国家科学院院刊》上。

对癌症分子机理的研究和临床早期精确诊断是有效治疗的基础。而对肿瘤在组织水平的成像是癌症研究和临床诊断的关键一环,尤其是在癌症的诊断中,虽然有各种医学影像方法,但病理组织检测仍然是癌症确诊的“金标准”。因此,对组织病理学方法的发展具有重要生物学和临床意义。现行主流的病理组织成像方法以光学成像为主,它们容易受到光学背景强、信号不稳定、定量不准确和不同光学方法不能共用等问题的影响,进而影响组织病理检测的精准性。

磁共振成像(MRI)有望解决光学成像的上述不足,然而,传统MRI受限于低灵敏度和低空间分辨率,很难应用于组织水平微米分辨率的成像。研究团队利用近年发展起来的一种新兴量子磁传感器——金刚石中的氮-空位色心,自主建立宽场磁成像装备,结合量子精密测量与免疫磁标记技术,实现了微米分辨率的肿瘤组织磁成像,并用于肺癌等的检测。

研究团队首先发展了组织水平的免疫磁标记方法,通过抗原-抗体的特异性识别,将20 nm直径超顺磁颗粒特异标记在肿瘤组织中的PD-L1等靶蛋白分子上,接着将组织样品紧密贴附在金刚石表面,然后利用金刚石中分布在近表面约百纳米的一层NV色心作为二维量子磁传感器,在400nm分辨率的磁显微镜上进行磁场成像,在毫米级的视野范围里达到微米级空间分辨率,最后通过深度学习模型重构磁场对应的磁矩分布,为定量分析提供基础。

由于磁和光是两个不同的物理量,该研究中的磁成像可以与传统光学成像联用,实现对同一组织切片的形态特征和肿瘤标志物的检测,这对分析肿瘤的微环境和异质性具有重要意义。除了肿瘤组织,该研究的微观磁成像技术也可以用于其它生物组织,开展免疫与炎症、神经退行性疾病、心血管疾病、生物磁感应、磁共振造影剂、磁靶向递送等领域的组织水平研究和临床诊断,尤其对于含有光学背景、光透过差和需要量化分析的生物组织具有独特优势。

杜江峰院士团队将基于金刚石NV色心的量子精密测量技术交叉应用于生物医学领域的又一次成功尝试,对癌症的研究和临床诊断都有重要意义。

 

 

来源:科技日报    

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