Le nanoparticelle di conversione (nuovi tipi di nanomateriali luminescenti che rilasciano fotoni ad alta energia dopo la stimolazione della luce laser) possono penetrare più in profondità nei tessuti e sono più stabili dal punto di vista fotochimico rispetto agli agenti di bioimmagine convenzionali, come punti quantici e coloranti organici. I nanocristalli luminescenti drogati o impregnati con piccole quantità di ioni di itterbio (Yb) di terre rare sono particolarmente efficaci nella conversione dei fotoni. I laser specifici utilizzati per eccitare i droganti Yb, però, può anche riscaldare molecole d'acqua in campioni biologici causando morte cellulare o danni ai tessuti.

Ora, Xiaogang Liu dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore e collaboratori hanno sintetizzato un nanocristallo drogato con terre rare che può essere eccitato a lunghezze d'onda all'interno di una "finestra biologica" più sicura, grazie a uno strato, design core-shell.

I nanocristalli luminescenti richiedono componenti "sensibilizzanti" per assorbire fotoni e trasferire energia ai siti di attivazione, che emettono la radiazione luminosa desiderata. Liu e colleghi hanno studiato un diverso drogante di terre rare, neodimio (Nd), che assorbe la luce laser a onde corte che eccita le molecole d'acqua, evitando così effetti di surriscaldamento. Sfortunatamente, Nd può essere drogato in nanocristalli solo a concentrazioni molto basse prima che le interazioni incrociate con gli attivatori inizino a spegnere la luminescenza. Ciò rende le nanoparticelle drogate con Nd emettitori deboli rispetto ai biomarcatori a base di Yb.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno prodotto nanoparticelle sferiche contenenti strati con concentrazioni nettamente diverse di ioni Nd. Hanno drogato piccole quantità di Nd, Yb, e ioni attivatore in nanocristalli di fluoruro di sodio ittrio (NaYF4), un materiale con una forte efficienza di conversione. Hanno quindi sintetizzato uno strato di guscio attorno al nucleo a basso drogaggio contenente una concentrazione di drogante Nd significativamente più alta del 20%. In questa disposizione, lo strato di guscio raccoglie efficacemente la luce e quindi trasferisce energia al nucleo, dove basse concentrazioni di sensibilizzante riducono al minimo la riduzione della luminescenza (vedi immagine).

Gli esperimenti hanno rivelato che il design del nucleo-guscio ha migliorato notevolmente le capacità di bioimmagine dei nanocristalli:il nuovo materiale aveva migliori capacità di raccolta della luce rispetto alle nanoparticelle drogate con Nd o Yb puro e ha raggiunto intensità di emissione sette volte superiori a NaYF4 puro. Studi meccanicistici hanno dimostrato che il trasferimento di energia tra gli ioni Nd e Yb nel nucleo delle nanoparticelle è stato fondamentale per superare i limiti delle basse concentrazioni di drogante.

Prossimo, il team ha testato i loro nuovi materiali mediante l'imaging di una serie di cellule del cancro cervicale. Mentre la tipica irradiazione laser per i biomarcatori drogati con Yb ha ucciso le cellule entro cinque minuti, le lunghezze d'onda più corte utilizzate per le nanoparticelle core-shell drogate con Nd hanno mantenuto le cellule vitali nello stesso tempo.

"Abbiamo in programma di migliorare ulteriormente l'efficienza di conversione delle nostre nanoparticelle e di usarle sia per il bioimaging che per la somministrazione di farmaci, "dice Liù.