Nanocząsteczki emitujące światło mogą zapewnić bezpieczniejszy sposób obrazowania żywych komórek

How to Defend Against Nanotechnology and Other Contemporary Threats - Tony Pantalleresco (Lipiec 2019).

Anonim

Zespół badawczy zademonstrował, w jaki sposób nanocząstki emitujące światło, opracowane w Krajowym Laboratorium Lawrence Berkeley w amerykańskim departamencie energii (Berkeley Lab), mogą być wykorzystane do głębokiego ujrzenia żywej tkanki.

Specjalnie zaprojektowane nanocząsteczki mogą być wzbudzane przez ultralekkie światło laserowe o długości fal w bliskiej podczerwieni, uważanej za bezpieczną dla ludzkiego ciała. Absorbują to światło, a następnie emitują światło widzialne, które można zmierzyć za pomocą standardowego sprzętu do obrazowania.

Rozwój i obraz biologiczny tych nanocząstek został szczegółowo opisany w pracy opublikowanej 6 sierpnia w Nature Communications.

Naukowcy mają nadzieję na dalsze rozwijanie tak zwanych stopowych nanoskładników konwertujących w górę, lub aUCNP, tak aby mogły przyłączyć się do określonych składników komórek, aby służyć w zaawansowanym systemie obrazowania, na przykład do oświetlania nawet pojedynczych komórek rakowych. Taki system może ostatecznie sterować operacjami chirurgicznymi o wysokiej precyzji i radioterapią oraz pomagać w usuwaniu nawet bardzo małych śladów raka.

"Dzięki laserowi nawet słabszemu niż standardowy zielony wskaźnik laserowy możemy wniknąć w tkankę" - powiedział Bruce Cohen, który jest częścią zespołu naukowego w Odlewni Molekularnej Laboratorium Berkeley Lab, który pracuje z naukowcami z UC San Francisco w celu dostosowania nanocząstek do zastosowania medyczne. Odlewnia Molekularna to obiekt biurowy DOE Office of Science, specjalizujący się w badaniach nanonaukowych, dostępny dla odwiedzających naukowców z całego świata i całego świata.

Cohen zauważył, że niektóre z istniejących systemów obrazowania wykorzystują światło laserowe o większej mocy, które grozi uszkodzeniem komórek.

"Wyzwanie polega na tym, że: w jaki sposób obrazujemy żywe systemy z wysoką czułością bez ich uszkadzania? Ta kombinacja niskonapięciowego światła i niskich mocy lasera jest tym, na co wszyscy pracują od jakiegoś czasu", powiedział. Moc lasera potrzebna do generowania aUCNP jest miliony razy mniejsza niż moc wymagana dla konwencjonalnych sond do obrazowania w bliskiej podczerwieni.

W tym najnowszym badaniu naukowcy zademonstrowali, w jaki sposób można uzyskać obrazowanie aUCNP w żywych tkankach myszy na głębokości kilku milimetrów. Byli podekscytowani laserem wystarczająco słabym, aby nie spowodować żadnych uszkodzeń.

Naukowcy wstrzyknęli nanocząsteczki do sutkowych płytek tłuszczowych myszy i zarejestrowali obrazy światła emitowanego przez cząstki, które nie wydawały się powodować żadnej toksyczności dla komórek.

Wymagane będzie więcej testów, aby wiedzieć, czy aUCNP produkowane w Berkeley Lab można bezpiecznie wstrzykiwać ludziom, a także w celu testowania powłok Naukowcy z Berkeley Lab projektują, aby specyficznie wiązać się z komórkami nowotworowymi.

Dr Mekhail Anwar, onkolog radioterapii i adiunkt w UC San Francisco, który uczestniczył w najnowszym badaniu, zauważył, że istnieje wiele medycznych technik skanowania w celu lokalizacji nowotworów - od mammografii do MRI i skanów PET-CT - ale techniki te nie są dostępne precyzyjne szczegóły w bardzo małych skalach.

"Naprawdę musimy dokładnie wiedzieć, gdzie znajduje się każda komórka rakowa" - powiedział Anwar, użytkownik odlewniczy, który współpracuje z naukowcami zajmującymi się odlewnictwem molekularnym w swoich badaniach. "Zwykle mówimy, że masz szczęście, kiedy złapiemy to wcześniej, a rak ma tylko około centymetra - to około miliarda komórek, ale gdzie ukrywają się mniejsze grupy komórek?"

Przyszłe prace w Odlewni Molekularnej, mam nadzieję, doprowadzą do udoskonalenia technik obrazowania nowotworu za pomocą aUCNP, powiedział, a naukowcy opracowują czujnik obrazowania, który integruje się z nanocząsteczkami, które można przyczepić do sprzętu chirurgicznego, a nawet rękawiczkami chirurgicznymi, w celu wskazania gorących miejsc raka zabiegi chirurgiczne.

Przełom w rozwoju laboratoriów UCNP polegał na znalezieniu sposobów na zwiększenie ich skuteczności w emitowaniu pochłoniętego światła przy wyższych energiach, powiedział Emory Chan, pracownik naukowy w Odlewni Molekularnej, który również uczestniczył w najnowszym badaniu.

Przez dziesięciolecia środowisko badawcze uważało, że najlepszym sposobem na wytworzenie tak zwanych materiałów do konwertowania w górę było wszczepienie ich lub "zaabsorbowanie" niskimi stężeniami metali znanych jako lantanowce. Zbyt wiele z tych metali, jak sądzili naukowcy, spowodowałoby, że emitowane światło stało się mniej jasne przy większej ilości tych dodanych metali.

Jednak eksperymenty prowadzone przez badaczy odlewnictwa Molecular Bining "Bella" Tian i Angel Fernandez-Bravo, którzy uczynili bogate w lantanowskie UCNP i zmierzyli ich właściwości, podniosły to powszechne zrozumienie.

Badania poszczególnych UCNP okazały się szczególnie cenne w wykazaniu, że erb, lantanowiec, o którym wcześniej sądzono, że odgrywa jedynie rolę w emisji światła, może również bezpośrednio absorbować światło i uwalniać inny lantanowiec, iterbium, w celu absorbowania większej ilości światła. Emory Chan, pracownik naukowy w Odlewni Molekularnej, który również uczestniczył w najnowszym badaniu, opisał nowo odkrytą wielozadaniową rolę erbium w UCNP jako "potrójne zagrożenie".

UCNP stosowane w najnowszym badaniu mierzą około 12-15 nanometrów (miliardowych części metra) na tyle małym, aby umożliwić ich przeniknięcie do tkanki. "Ich muszle rosną jak cebula, warstwa po warstwie" - powiedział Chan.

Jim Schuck, uczestnik badania i były naukowiec z Berkeley Lab na Uniwersytecie Columbia, zauważył, że najnowsze badania opierają się na dziesięcioletnim wysiłku w Odlewni Molekularnej, aby zrozumieć, przeprojektować i znaleźć nowe aplikacje dla UCNP.

"Ten nowy paradygmat w projekcie UCNP, który prowadzi do dużo jaśniejszych cząstek, jest prawdziwym zmieniaczem wszystkich aplikacji do obrazowania pojedynczego UCNP", powiedział.

Naukowcy z Odlewni Molekularnej będą pracowali nad sposobami zautomatyzowania wytwarzania nanocząstek za pomocą robotów i powlekania ich markerami, które selektywnie wiążą się z komórkami nowotworowymi.

Cohen powiedział, że współpraca z UCSF otworzyła nowe możliwości eksploracji UCNP i oczekuje, że wysiłek badawczy będzie się rozwijał.

"Nigdy nie pomyślelibyśmy, żeby użyć ich do obrazowania podczas operacji" - powiedział. "Praca z naukowcami takimi jak Mekhail otwiera to cudowne zapylenie różnych dziedzin i różnych pomysłów".

Anwar powiedział: "Jesteśmy naprawdę wdzięczni za dostęp do wiedzy i szerokiego zakresu oprzyrządowania" w Odlewni Molekularnej laboratorium.

menu
menu