Un team di ricerca ha dimostrato come le nanoparticelle che emettono luce, sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab), può essere usato per vedere in profondità nei tessuti viventi.

Le nanoparticelle appositamente progettate possono essere eccitate dalla luce laser a bassissima potenza a lunghezze d'onda del vicino infrarosso considerate sicure per il corpo umano. Assorbono questa luce e quindi emettono luce visibile che può essere misurata con apparecchiature di imaging standard.

Lo sviluppo e l'applicazione di imaging biologico di queste nanoparticelle è dettagliato in uno studio pubblicato online il 6 agosto in Comunicazioni sulla natura .

I ricercatori sperano di sviluppare ulteriormente queste cosiddette nanoparticelle upconverting legate, o aUCNP, in modo che possano attaccarsi a componenti specifici delle cellule per servire in un sistema di imaging avanzato per illuminare anche singole cellule tumorali, Per esempio. Un tale sistema può in definitiva guidare interventi chirurgici di alta precisione e trattamenti radioterapici, e aiutano a cancellare anche minuscole tracce di cancro.

"Con un laser ancora più debole di un puntatore laser verde standard, possiamo immaginare in profondità nel tessuto, " ha detto Bruce Cohen, che fa parte di un team scientifico della Molecular Foundry del Berkeley Lab che sta lavorando con i ricercatori della UC San Francisco per adattare le nanoparticelle per usi medici. La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE specializzata nella ricerca sulle nanoscienze, accessibile agli scienziati in visita da tutta la nazione e dal mondo.

Cohen ha notato che alcuni sistemi di imaging esistenti utilizzano luce laser a potenza più elevata che corre il rischio di danneggiare le cellule.

"La sfida è:come possiamo immaginare i sistemi viventi ad alta sensibilità senza danneggiarli? Questa combinazione di luce a bassa energia e poteri laser a bassa è ciò a cui tutti nel campo hanno lavorato per un po', " ha detto. La potenza del laser necessaria per gli aUCNP è milioni di volte inferiore alla potenza necessaria per le sonde di imaging nel vicino infrarosso convenzionali.

In questo ultimo studio, i ricercatori hanno dimostrato come gli aUCNP possono essere ripresi nel tessuto di topo vivo a una profondità di diversi millimetri. Erano eccitati con laser abbastanza deboli da non causare alcun danno.

I ricercatori hanno iniettato nanoparticelle nei cuscinetti adiposi mammari dei topi e hanno registrato immagini della luce emessa dalle particelle, che non sembrava porre alcuna tossicità per le cellule.

Saranno necessari ulteriori test per sapere se gli aUCNP prodotti al Berkeley Lab possono essere iniettati in sicurezza negli esseri umani, e per testare i rivestimenti che gli scienziati del Berkeley Lab stanno progettando per legarsi specificamente alle cellule cancerose.

Dottor Mekhail Anwar, un oncologo delle radiazioni e un assistente professore all'UC San Francisco che ha partecipato all'ultimo studio, ha notato che esistono numerose tecniche di scansione medica per individuare i tumori, dalle mammografie alla risonanza magnetica e alle scansioni PET-TC, ma queste tecniche possono mancare di dettagli precisi su scale molto piccole.

"Abbiamo davvero bisogno di sapere esattamente dove si trova ogni cellula cancerosa, " ha detto Anwar, un utente della fonderia che collabora con gli scienziati della fonderia molecolare nella sua ricerca. "Di solito diciamo che sei fortunato quando lo prendiamo presto e il cancro è solo di circa un centimetro, ovvero circa 1 miliardo di cellule. Ma dove si nascondono i gruppi più piccoli di cellule?"

Si spera che il lavoro futuro presso la Molecular Foundry porterà a tecniche migliorate per l'imaging del cancro utilizzando le aUCNP, Egli ha detto, e i ricercatori stanno sviluppando un sensore di imaging da integrare con nanoparticelle che potrebbero essere attaccate alle apparecchiature chirurgiche e persino ai guanti chirurgici per individuare i punti caldi del cancro durante le procedure chirurgiche.

Una svolta nello sviluppo degli UCNP da parte del laboratorio è stata la ricerca di modi per aumentare la loro efficienza nell'emissione della luce assorbita a energie più elevate, disse Emory Chan, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry che ha anche partecipato all'ultimo studio.

Per decenni, la comunità di ricerca aveva creduto che il modo migliore per produrre questi cosiddetti materiali upconverting fosse impiantarli o "drogarli" con una bassa concentrazione di metalli noti come lantanidi. Troppi di questi metalli, i ricercatori avevano creduto, farebbe sì che la luce che emettono diventi meno brillante con più di questi metalli aggiunti.

Ma gli esperimenti condotti dai ricercatori della Molecular Foundry Bining "Bella" Tian e Angel Fernandez-Bravo, che ha prodotto UCNP ricchi di lantanidi e ne ha misurato le proprietà, capovolto questa comprensione prevalente.

Gli studi sui singoli UCNP si sono rivelati particolarmente utili nel dimostrare che l'erbio, un lantanide precedentemente pensato per svolgere solo un ruolo nell'emissione di luce, può anche assorbire direttamente la luce e liberare un altro lantanide, itterbio, per assorbire più luce. Emory Chan, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry che ha anche partecipato all'ultimo studio, ha descritto il ruolo multitasking recentemente scoperto dell'erbio negli UCNP come una "tripla minaccia".

Gli UCNP utilizzati nell'ultimo studio misurano circa 12-15 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro, abbastanza piccoli da consentire loro di penetrare nei tessuti. "I loro gusci sono cresciuti come una cipolla, uno strato alla volta, " disse Chan.

Jim Schuck, un partecipante allo studio ed ex scienziato del Berkeley Lab ora alla Columbia University, ha osservato che l'ultimo studio si basa su uno sforzo decennale presso la Molecular Foundry per comprendere, riprogettare, e trova nuove applicazioni per gli UCNP.

"Questo nuovo paradigma nella progettazione UCNP, che porta a particelle molto più luminose, è un vero punto di svolta per tutte le applicazioni di imaging single-UCNP, " Egli ha detto.

I ricercatori della Molecular Foundry lavoreranno su modi per automatizzare la fabbricazione delle nanoparticelle con i robot, e rivestirli con marcatori che si legano selettivamente alle cellule cancerose.

Cohen ha affermato che il lavoro in collaborazione con l'UCSF ha aperto nuove strade di esplorazione per gli UCNP, e si aspetta che lo sforzo di ricerca cresca.

"Non avremmo mai pensato di usarli per l'imaging durante gli interventi chirurgici, " ha detto. "Lavorare con ricercatori come Mekhail apre questa meravigliosa impollinazione incrociata di campi diversi e idee diverse".

Anwar ha detto, "Siamo davvero grati di avere accesso alla conoscenza e all'ampia gamma di strumenti" presso la fonderia molecolare del laboratorio.