Блуждающие квантовые точки высвечивают диагноз

Медики давно мечтали находить болезни, лишь взглянув на пациента. Но не призывать же в серьёзные учреждения "ясновидящих" и людей-рентгенов? Однако научная альтернатива такому обследованию есть – это светящиеся наночастицы, путешествующие по кровеносным сосудам.

Учёные из департамента биомедицинской инженерии (Department of Biomedical Engineering), созданного совместно американским университетом Эмори (Emory University) и технологическим институтом Джорджии (Georgia Institute of Technology), разработали новый класс так называемых "квантовых точек", способных находить и наглядно отображать положение злокачественной опухоли в живом организме.

Квантовые точки – это кристаллы полупроводников нанометрового размера, которые имеют уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе.

 

 

"Если вы дробите леденец на две части, каждая часть будет всё ещё сладкой. Но если вы продолжите дробление, пока не достигаете масштаба нанометров, полученные части будут отличными по вкусу и обладать разными свойствам", — объясняет профессор Шумин Не (Shuming Nie), лидер исследования.

Например, крупинки золота нанометрового масштаба не жёлтые, а красные.

Но нас интересует другое свойство, характерное именно для нанокристаллов полупроводников. Это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определённой частотой. Его-то учёные и используют для нахождения и визуализации опухоли.

Профессор Шумин Не объясняет, что сложнейшее определение точной дислокации опухоли теперь можно провести всего лишь впрыснув пациенту раствор наночастиц (фото с сайта whsc.emory.edu).

Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвлённая, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.

Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Но есть и другой путь — активный. Он даёт более быстрые и главное — более точные результаты.

Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.

Такие соединения Шумин Не называет биосопряжёнными квантовыми точками (bioconjugated quantum dots).

В данном опыте нанометровые кристаллы селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с молекулой-антигеном на поверхности клеток опухоли, привитой мышам.

	Так выглядит скопление разных квантовых точек, облучаемых лазером (фото с сайта indiana.edu).

В предыдущих похожих исследованиях, биологи сталкивались с проблемой: квантовые точки, введённые в организм, оказывались недолговечными.

Нужно было найти способ защитить их каким-то щитом, в то же время, сохраняя все их способности по обнаружению и высвечиванию опухоли. Это и удалось группе учёных из Атланты.

Частицы-индикаторы окутали оригинальным покрытием, названным ABC триблок сополимер. Капсулирование наночастиц без потери их рабочих функций – один из ключевых моментов работы Не, отличающих её от близких по теме исследований других биологов и физиков.

Именно это недавнее изобретение группы Не придало её работе мощный импульс, ведь с квантовыми точками в качестве биоиндикаторов Не работает не первый год.

Покрытие защищало, с одной стороны, сами квантовые точки от "нападения" ферментов и других биологических молекул, а с другой — не давало возможности ядовитому кадмию и ионам селена "освободиться" и попасть в организм. Что тоже важно, если вести речь о диагностике заболеваний у людей.

Квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по организму.

Кристаллы попадали в опухоль, и накапливались там (и практически нигде больше), в результате чего её (опухоль) легко можно было обнаружить визуально, посветив мощной ртутной лампой.

Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем применявшиеся ранее для схожих целей маркеры – специальные красители или флуоресцентные белки.

Заметим, в данном опыте опухоль была близка к поверхности кожи. Значит, экспериментаторы просто облегчили себе задачу? А если опухоль расположена глубже?

Нанокристалл селенида кадмия диаметром всего в пятнадцать атомов (иллюстрация с сайта evidenttech.com).

Биологи говорят, что легко спроектировать квантовые точки, дающие отклик на любой длине волны, например, в ближнем инфракрасном спектре. Тогда можно будет находить опухоли, скрытые глубоко внутри тела.

Кроме того, определённые наночастицы могут давать характерный отклик при магниторезонансной томографии.

На этом аппетиты авторов идеи не ограничиваются. В организм можно вводить несколько типов точек, говорят они.

Эти частицы будут фиксировать появление различных биомолекул или ангигенов и, таким образом, находить участки со специфическим сочетанием признаков заболевания.

Этот процесс мультиплексирования может существенно расширить возможности диагностики. Ведь можно сконструировать сотни и тысячи разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме со строго рассчитанными ДНК.

Их свечение в одном месте явно укажет на болезнь подобно тому, как полицейские находят преступника по подробному описанию – "рост 170, вес 78, глаза карие, волосы каштановые…". Чем больше типов биосопряжённых наночастиц попало в кровоток – тем выше точность диагноза.

Не подобрал целую палитру световых откликов, которые будут отличать одни частицы от других. К слову, этот момент кардинально отличает наномаркеры от органических пигментов, которые не могут работать в смеси – так как цвет также смешивается.

	Растворы квантовых точек выглядят, как подкрашенная водичка (фото с сайта evidenttech.com).

И вместо, предположим, красного, синего и лимонного получается какой-то "серобуромалиновый" цвет, ни о чём не говорящий наблюдателям.

Квантовые же точки сохраняют индивидуальный отклик, чётко различимый приборами, даже будучи сваленными "в кучу".

Дальнейшие планы исследователей выглядят ещё заманчивее. Новые квантовые точки, соединённые с набором биомолекул, будут не только находить опухоль и индицировать её, но и поставлять точно на место новые поколения лекарств.

Возможно, что как раз это приложение нанотехнологии окажется самым близким к практической и массовой реализации из того, что мы видели в лабораториях в последние годы.

Любопытно, а ведь именно профессор Не, ещё в 1998 году предсказывал в своей публикации в журнале Science, что первое практическое применение нанотехнология найдёт именно в биологии и медицине.

Статья получена: Membrana.ru