实验设置 Nano颗粒通过机动磁力阵列输送到麻醉的大鼠体内。 （由罗南·史密斯提供）
囊性纤维化是一种遗传性疾病，CFTR 蛋白缺陷（由 CFTR 基因突变引起）可导致多个器官出现危及生命的症状。 在呼吸系统中，囊性纤维化使气道脱水并在肺部产生粘液，导致呼吸问题并增加肺部感染的风险。
一种针对囊性纤维化的拟议治疗方法是基因疗法，其中病毒载体将 CFTR 基因的健康副本传递到气道细胞中，以产生功能性 CFTR 蛋白。 为了将该载体运输到靶细胞并保持足够长的时间以与它们相互作用（所有基因疗法的关键挑战），研究人员将载体与磁性Nano粒子耦合，这应该允许使用外部磁场控制递送到气道。
阿德莱德大学的研究人员现在正在应对成功基因治疗的另一个紧迫挑战——可视化活体气道内的磁性Nano粒子并在体内操纵它们。 为了实现这一目标，他们探索了使用暗场 X 射线成像来增强Nano颗粒对比度并了解磁性Nano颗粒如何在活体大鼠气道内移动，并将他们的发现报告在《医学与生物学物理学》上。
传统 X 射线成像依赖于 X 射线的吸收，而暗场 X 射线成像可检测样品内微结构的小角度散射。 为了进行暗场成像，研究人员在日本的 SPring-8 同步加速器上使用了 25.0 keV 单色光束。 他们将相位网格放置在样品上游的光束中，在检测器处创建子束图案。 这些子束在穿过样品时会发生扩散，并且可以从检测器处的模糊强度中提取暗场信号。
研究团队从左到右：Martin Donnelley、Kaye Morgan、David Parsons、Ronan Smith 和 Alexandra McCarron 在访问日本使用 SPring-8 同步加速器期间。 （由马丁·唐纳利提供）
“我的团队之前使用高分辨率相衬 X 射线成像来对Nano颗粒输送进行成像，当我们意识到图像没有显示完整图像时，我们就在同步加速器旁，”第一作者 Ronan Smith 告诉《物理世界》。 “我在攻读博士学位期间开发了定向暗场成像的新方法，因此我们认为这是否会有所帮助。”
成像Nano颗粒输送
研究人员首先检查了超顺磁性Nano颗粒向麻醉大鼠的输送情况，同步加速器光束以 45° 角穿过其气管。 对活体动物进行成像不可避免地会产生来自周围解剖结构的背景信号。 为了抑制Nano颗粒输送过程中的这种背景，该团队采用了一种基于分析定向暗场信号成分的新方法。
Nano颗粒悬浮液应各向同性地散射 X 射线，并且定向暗场信号的主要和次要散射分量应相等。 然而，组织、皮肤和头发等不对称结构会发生各向异性散射，大部分信号出现在主要成分中。 通过仅检查最小的成分，研究小组可以增强Nano粒子信号在背景之上的对比度。
史密斯解释说：“定向暗场检索方法是将进入气道的Nano粒子产生的各向同性暗场信号与周围解剖结构产生的覆盖定向暗场信号隔离开来的关键。” “据我所知，以前没有人采取过这种方法。”
Smith 及其同事在 25 秒内将Nano颗粒输送到老鼠的气管中，在动物呼吸的引导下，在此期间捕获了 180 帧。 最初，X射线透射和暗场图像中都出现了一条对角线，显示Nano颗粒开始从输送管流入气管。 22.91 秒时，微小的暗场信号在管的下半部分显示出明显的特征，该特征逐渐变得清晰，然后在输送结束时被气泡推出。 暗场信号以比传输信号高 3.5 倍的信噪比捕获了这一事件。
Nano颗粒成像 暗场图像的透射 (a)、定向暗场 (b) 以及主要 (c) 和次要 (d) 组成部分。 （礼貌：CC BY 4.0/Phys.Med.Biol.10.1088/1361-6560/ad40f5）
对输送过程进行成像显示，Nano颗粒意外地沉积在输送管内，其中许多Nano颗粒仅在输送的最后 10% 期间才到达气管。 研究人员指出，这可能导致细胞对Nano颗粒传递的病毒载体的摄取不理想，并补充说，如果没有暗场成像，就无法观察到这一过程。
旋转Nano粒子串
接下来，研究小组将老鼠暴露在 1.17 T 磁体中，这导致Nano颗粒形成绳状结构，并围绕其气管旋转磁体。 当磁铁位于老鼠上方时，传输图像显示弦是垂直对齐的。 当磁铁移动时，弦保持与磁场对齐，这表明动态磁场确实可以原位操纵Nano颗粒。
当磁铁靠近老鼠时（沿着光束轴部分对齐弦），弦也产生了定向暗场信号。 然而，当粒子垂直排列时，该信号并不清晰可见，可能是因为光束在该位置穿过较少的Nano粒子。
史密斯说，他的小组中的生物学家现在正在利用这些成像结果来加强他们在气道基因治疗方面的工作。 “这是一个循环开发过程，因此我们计划进行更多的同步加速器实验，以结合相衬和定向暗场成像来回答其结果提出的问题，”他解释道。 “我们还在研究暗场成像的其他呼吸应用。”
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