Immagina una pillola d'oro microscopica che potrebbe viaggiare in un punto specifico del tuo corpo e fornire un farmaco proprio dove è necessario. Questa è la promessa delle nanovescicole plasmoniche.

Queste minuscole capsule possono navigare nel flusso sanguigno, e, quando viene colpito da un rapido impulso di luce laser, cambiare forma per rilasciare il loro contenuto. Può quindi uscire dal corpo, lasciando solo il pacchetto desiderato.

Questo su richiesta, il metodo di rilascio di farmaci innescato dalla luce potrebbe trasformare la medicina, soprattutto il trattamento del cancro. I medici stanno iniziando a testare le nanovescicole plasmoniche sui tumori della testa e del collo. Possono anche aiutare gli sforzi per studiare il sistema nervoso in tempo reale e fornire approfondimenti su come funziona il cervello.

Però, come molti aspetti della nanotecnologia, il diavolo è nei dettagli. Molto rimane sconosciuto sul comportamento specifico di queste nanoparticelle - per esempio, le lunghezze d'onda della luce a cui rispondono e il modo migliore per ingegnerizzarle.

Scrivendo nel numero di ottobre 2017 di Materiali ottici avanzati , Zhenpeng Qin, un assistente professore di Ingegneria Meccanica e Bioingegneria presso l'Università del Texas a Dallas, la sua squadra, e collaboratori dell'Università di Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), hanno riportato i risultati delle indagini computazionali sulle proprietà ottiche collettive di vescicole plasmoniche complesse.

Hanno usato i supercomputer Stampede e Lonestar presso il Texas Advanced Computing Center, così come i sistemi del ROMEO Computing Center dell'Università di Reims Champagne-Ardenne e del San Diego Supercomputing Center (attraverso l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment) per eseguire esperimenti virtuali su larga scala di vescicole colpite dalla luce.

"Molte persone producono nanoparticelle e le osservano usando la microscopia elettronica, " ha detto Qin. "Ma i calcoli ci danno un angolo unico al problema. Forniscono una migliore comprensione delle interazioni e delle intuizioni fondamentali in modo da poter progettare meglio queste particelle per applicazioni specifiche".

Sorprendente oro biomedico

Le nanoparticelle d'oro sono un esempio promettente di nanomateriale plasmonico. A differenza delle sostanze normali, nanoparticelle plasmoniche (tipicamente costituite da metalli nobili) hanno una diffusione insolita, assorbanza, e proprietà di accoppiamento dovute alle loro geometrie e caratteristiche elettromagnetiche. Una conseguenza di ciò è che interagiscono fortemente con la luce e possono essere riscaldati dalla luce visibile e ultravioletta, anche a distanza, portando a cambiamenti strutturali nelle particelle, dalla fusione all'espansione alla frammentazione.

I liposomi rivestiti di nanoparticelle d'oro, sacche sferiche che racchiudono un nucleo acquoso che può essere utilizzato per trasportare farmaci o altre sostanze nei tessuti, si sono dimostrati agenti promettenti per il rilascio di contenuto indotto dalla luce. Ma queste nanoparticelle devono essere in grado di liberare il corpo attraverso il sistema renale, che limita la dimensione delle nanoparticelle a meno di pochi nanometri.

La forma specifica della nanoparticella, ad esempio, quanto sono vicine tra loro le singole molecole d'oro, quanto è grande il nucleo, e la dimensione, forma, densità e condizioni della superficie della nanoparticella:determina come, e quanto bene, le funzioni delle nanoparticelle e come possono essere manipolate.

Qin ha rivolto la sua attenzione negli ultimi anni alla dinamica dei cluster di piccole nanoparticelle d'oro con nuclei di liposomi, e le loro applicazioni sia in ambito diagnostico che terapeutico.

"Se mettiamo le nanoparticelle attorno a una nanovescicola, possiamo usare la luce laser per aprire la vescicola e rilasciare molecole di interesse, " ha spiegato. "Abbiamo la capacità di assemblare un diverso numero di particelle attorno a una vescicola rivestendo la vescicola con uno strato di particelle molto piccole. Come possiamo progettare questa struttura? È un problema abbastanza interessante e complesso. In che modo le nanoparticelle interagiscono tra loro - quanto sono distanti, quanti sono lì?"

Le simulazioni forniscono approfondimenti fondamentali e pratici

Per ottenere informazioni sul modo in cui funzionano le nanoparticelle plasmoniche e su come possono essere progettate in modo ottimale, Qin e colleghi usano la simulazione al computer oltre agli esperimenti di laboratorio.

Nel loro recente studio, Qin e il suo team hanno simulato varie dimensioni del nucleo di liposomi, dimensioni del rivestimento di nanoparticelle d'oro, un'ampia gamma di densità di rivestimento, e organizzazioni di rivestimento casuali rispetto a quelle uniformi. I rivestimenti comprendono diverse centinaia di singole particelle d'oro, che si comportano collettivamente.

"È molto semplice simulare una particella. Puoi farlo su un normale computer, ma siamo tra i primi a esaminare una vescicola complessa, "Ha detto Randrianalisoa. "È davvero emozionante osservare come gli aggregati di nanoparticelle che circondano il nucleo lipidico modificano collettivamente la risposta ottica del sistema".

Il team ha utilizzato il metodo di calcolo dell'approssimazione del dipolo discreto (DDA) per fare previsioni sulle caratteristiche di assorbimento ottico dei sistemi di liposomi rivestiti d'oro. DDA consente di calcolare la dispersione della radiazione da parte di particelle di forma e organizzazione arbitrarie. Il metodo ha il vantaggio di consentire al team di progettare nuove forme e strutture complesse e di determinare quantitativamente quali saranno le loro caratteristiche di assorbimento ottico.

I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle d'oro che compongono la superficie esterna devono essere sufficientemente vicine tra loro, o addirittura sovrapposti, assorbire luce sufficiente affinché il sistema di erogazione sia efficace. Hanno identificato una gamma intermedia di condizioni ottiche denominate "regime dell'oro nero, "dove le nanoparticelle d'oro strettamente imballate rispondono alla luce a tutte le lunghezze d'onda, che può essere molto utile per una vasta gamma di applicazioni.

"Vorremmo sviluppare particelle che interagiscono con la luce nel vicino infrarosso - con lunghezze d'onda di circa 700-900 nanometri - in modo che abbiano una penetrazione più profonda nel tessuto, " ha spiegato Qin.

Anticipano che questo studio fornirà linee guida di progettazione per i nanoingegneri e avrà un impatto significativo sull'ulteriore sviluppo di complesse nanostrutture plasmoniche e vescicole per applicazioni biomediche.

(In uno studio separato pubblicato su ACS Sensors nell'ottobre 2017, Qin e collaboratori hanno mostrato l'efficacia delle nanoparticelle d'oro per i test che rilevano malattie infettive e altri bersagli biologici e chimici.)

Ispirato dai recenti sviluppi in optogenetica, che utilizza la luce per controllare le cellule (tipicamente i neuroni) nei tessuti viventi, Qin e il suo team intendono utilizzare la tecnologia per sviluppare un versatile sistema attivato otticamente per eseguire studi in tempo reale sull'attività e sul comportamento del cervello.

Spera che la funzione di rilascio rapido della nuova tecnica fornisca una velocità sufficiente per studiare la comunicazione neuronale nella ricerca neuroscientifica.

"Ci sono molte opportunità per utilizzare i calcoli per comprendere le interazioni fondamentali e i meccanismi che non possiamo misurare, " ha detto Qin. "Questo può alimentare la nostra ricerca sperimentale in modo che possiamo far progredire meglio queste diverse tecniche per aiutare le persone".