Gli scienziati che lavorano presso il National Institute of Standards and Technology e i National Institutes of Health hanno ideato e dimostrato un nuovo, sonda mutaforma, largo circa un centesimo come un capello umano, che è in grado di sensibile, telerilevamento biologico ad alta risoluzione che non è possibile con la tecnologia attuale. Se alla fine messo in uso diffuso, il design potrebbe avere un impatto importante sulla ricerca in medicina, chimica, biologia e ingegneria. In definitiva, potrebbe essere utilizzato nella diagnostica clinica.

Ad oggi, la maggior parte degli sforzi per visualizzare condizioni biochimiche altamente localizzate come pH* anormale e concentrazione di ioni, marcatori critici per molti disturbi, si basano su vari nanosensori che vengono sondati utilizzando la luce a frequenze ottiche. Ma la sensibilità e la risoluzione dei segnali ottici risultanti diminuiscono rapidamente con l'aumentare della profondità nel corpo. Ciò ha limitato la maggior parte delle applicazioni a meno oscurate, regioni più accessibili dal punto di vista ottico.

Le nuove sonde mutaforma, descritto online nella rivista Natura , ** non sono soggetti a tali limitazioni. Consentono di rilevare e misurare condizioni localizzate su scala molecolare in profondità all'interno dei tessuti, e osservare come cambiano in tempo reale.

"Il nostro design si basa su principi operativi completamente diversi, " dice Gary Zabow del NIST, che ha guidato la ricerca con i colleghi del NIH Stephen Dodd e Alan Koretsky. "Invece del rilevamento basato sull'ottica, le sonde mutaforma sono progettate per operare nello spettro delle radiofrequenze (RF), specificamente per essere rilevabile con apparecchiature standard di risonanza magnetica nucleare (NMR) o risonanza magnetica (MRI). In queste gamme RF, i segnali sono, Per esempio, non sensibilmente indebolito dall'intervento di materiali biologici."

Di conseguenza, possono diventare forti, segnali distintivi da dimensioni molto piccole a notevoli profondità o in altri luoghi impossibili da sondare con sensori a base ottica.

I nuovi dispositivi chiamati sensori magnetici codificati geometricamente (GEM), sono sandwich di gel di metallo microingegnerizzati circa 5-10 volte più piccoli di un singolo globulo rosso, una delle più piccole cellule umane. Ciascuno è costituito da due dischi magnetici separati che vanno da 0,5 a 2 micrometri (milionesimi di metro) di diametro e sono spessi solo decine di nanometri (miliardesimi di metro).

Tra i dischi c'è uno strato distanziatore di idrogel, una rete polimerica in grado di assorbire acqua ed espandersi notevolmente; la quantità di espansione dipende dalle proprietà chimiche del gel e dall'ambiente circostante. Al contrario, può anche ridursi in risposta alle mutevoli condizioni locali. Il rigonfiamento o il restringimento del gel modifica la distanza (e quindi, l'intensità del campo magnetico) tra i due dischi, e quello, a sua volta, cambia la frequenza alla quale i protoni nelle molecole d'acqua intorno e all'interno del gel risuonano in risposta alla radiazione a radiofrequenza. La scansione del campione con una gamma di frequenze identifica rapidamente la forma attuale delle nanosonde, misurare efficacemente le condizioni remote attraverso i cambiamenti nelle frequenze di risonanza causati dagli agenti che cambiano forma.

Negli esperimenti riportati in Natura , gli scienziati hanno testato i sensori in soluzioni di pH variabile, in soluzioni con gradienti di concentrazione di ioni, e in un mezzo di crescita liquido contenente cellule renali canine viventi mentre il loro metabolismo passava da normale a non funzionale in assenza di ossigeno. Quel fenomeno ha causato l'acidificazione del mezzo di crescita, e il cambiamento nel tempo è stato rilevato dai GEM e registrato attraverso lo spostamento in tempo reale delle frequenze di risonanza. Anche per chi non è ottimizzato, sonde di prima generazione utilizzate, gli spostamenti di frequenza risultanti dalle variazioni del pH erano facilmente risolvibili e ordini di grandezza maggiori di qualsiasi spostamento di frequenza equivalente osservato attraverso i tradizionali approcci di spettroscopia di risonanza magnetica.

Tracciare valori di pH altamente localizzati negli organismi viventi può essere difficile. (Un esame del sangue non può necessariamente farlo perché il campione mescola sangue da numerose posizioni.) Tuttavia, i cambiamenti locali del pH possono fornire preziosi segnali precoci di molte patologie. Per esempio, il pH intorno a una cellula cancerosa è leggermente inferiore al normale, e l'infiammazione interna generalmente porta a un cambiamento locale del livello di pH. Rilevare tali cambiamenti potrebbe rivelare, Per esempio, la presenza di un tumore invisibile o mostrare se si è sviluppata un'infezione attorno a un impianto chirurgico.

"Certo, quel tipo di uso potenziale negli organismi viventi è ancora molto lontano, " Zabow ha detto. "I nostri dati sono stati presi in vitro. E alcune potenziali applicazioni dei sensori potrebbero non essere affatto biologiche. Ma un obiettivo a lungo termine è migliorare le nostre tecniche fino al punto in cui le gemme possono essere impiegate per usi biomedici".

Ciò richiederebbe, tra l'altro, ulteriore miniaturizzazione. I GEM di diametro da 0,5 a 2 µm negli esperimenti sono già abbastanza piccoli per molte applicazioni in vitro e altre possibili applicazioni non biologiche, così come forse per alcune applicazioni correlate cellulari in vivo. Ma le stime preliminari degli sperimentatori indicano che i sensori possono essere ridotti sostanzialmente dalle loro dimensioni attuali, e potrebbe essere realizzato con un diametro inferiore a 100 nanometri. Ciò aprirebbe molte applicazioni biomediche aggiuntive.

Una delle caratteristiche più significative dei GEM è che possono essere "sintonizzati" nella fabbricazione per rispondere a diversi stati biochimici e per risuonare in diverse parti dello spettro RF alterando la composizione del gel e le forme e i materiali dei magneti, rispettivamente. Quindi posizionare due diverse popolazioni di GEM nello stesso sito rende possibile tenere traccia dei cambiamenti in due diverse variabili contemporaneamente, una capacità che i ricercatori hanno dimostrato posizionando GEM con due dimensioni diverse nella stessa posizione e rilevando i segnali da entrambi contemporaneamente.

"L'idea è che si possano progettare sensori diversi per misurare cose diverse, misurare efficacemente un pannello di potenziali biomarcatori simultaneamente, piuttosto che uno solo, per differenziare meglio le diverse patologie, " dice Zabow. "Pensiamo che questi sensori possano potenzialmente essere adattati per misurare una varietà di diversi biomarcatori, possibilmente includendo cose come il glucosio, temperature locali, varie concentrazioni di ioni, forse la presenza o l'assenza di vari enzimi e così via."

Ron Goldfarb, leader del gruppo Magnetics del NIST, rileva che, "il lavoro sui sensori magnetici codificati geometricamente di Gary Zabow e colleghi è una naturale estensione della ricerca pubblicata dal team, insieme a John Moreland del NIST, nel 2008. Quel lavoro ha mostrato come i micromagneti possono agire come "tag intelligenti" per identificare potenzialmente particolari celle, tessuti o condizioni fisiologiche. Funzionalmente, i GEMS nello sforzo attuale sono più avanzati in quanto cambiano forma in risposta agli stimoli; così, agiscono come dispositivi di misurazione. La prossima sfida sarà l'ottimizzazione del design e lo sviluppo di sistemi a controllo dimensionale, processi di fabbricazione su larga scala al fine di rendere questi sensori ampiamente disponibili per i ricercatori".