Mentre molte persone amano le foto colorate dei paesaggi, fiori o arcobaleni, alcuni ricercatori biomedici fanno tesoro di immagini vivide su scala molto più piccola, fino a un millesimo della larghezza di un capello umano.

Per studiare il micromondo e aiutare a far progredire le conoscenze e i trattamenti medici, questi scienziati usano nanoparticelle fluorescenti.

I punti quantici sono un tipo di nanoparticella, più comunemente noti per il loro uso negli schermi televisivi. Sono cristalli super minuscoli che possono trasportare elettroni. Quando la luce UV colpisce queste particelle semiconduttrici, possono emettere luce di vari colori.

Quella fluorescenza consente agli scienziati di usarli per studiare parti nascoste o altrimenti criptiche delle cellule, organi e altre strutture.

Faccio parte di un gruppo di ricercatori di nanotecnologie e neuroscienze dell'Università di Washington che studiano come si comportano i punti quantici nel cervello.

Si stima che le malattie cerebrali comuni costino agli Stati Uniti quasi 800 miliardi di dollari all'anno. Queste malattie, tra cui il morbo di Alzheimer e i disturbi del neurosviluppo, sono difficili da diagnosticare o trattare.

Strumenti su nanoscala, come punti quantici, che possono catturare la sfumatura nelle complicate attività cellulari promettono come strumenti di imaging cerebrale o vettori di consegna di farmaci per il cervello. Ma poiché ci sono molte ragioni per preoccuparsi del loro uso in medicina, principalmente legati alla salute e alla sicurezza, è importante capire di più su come funzionano nei sistemi biologici.

Punti quantici come coloranti di nuova generazione

I ricercatori hanno scoperto per la prima volta i punti quantici negli anni '80. Queste minuscole particelle sono diverse dagli altri cristalli in quanto possono produrre colori diversi a seconda delle loro dimensioni. Sono così piccoli che a volte vengono chiamati atomi a dimensione zero o artificiali.

L'uso più comunemente noto dei punti quantici al giorno d'oggi potrebbe essere lo schermo televisivo. Samsung ha lanciato i suoi televisori QLED nel 2015, e poche altre società seguirono non molto tempo dopo. Ma gli scienziati hanno osservato i punti quantici per quasi un decennio. A causa delle loro proprietà ottiche uniche, possono produrre migliaia di brillanti, colori fluorescenti nitidi:gli scienziati hanno iniziato a usarli come sensori ottici o sonde di imaging, soprattutto nella ricerca medica.

Gli scienziati hanno usato a lungo vari coloranti per etichettare le cellule, organi e altri tessuti per vedere il funzionamento interno del corpo, che sia per la diagnosi o per la ricerca fondamentale.

I coloranti più comuni hanno alcuni problemi significativi. Per uno, il loro colore spesso non può sopravvivere molto a lungo nelle cellule o nei tessuti. Possono svanire in pochi secondi o minuti. Per alcuni tipi di ricerca, come il monitoraggio dei comportamenti cellulari o la somministrazione di farmaci nel corpo, questi coloranti organici semplicemente non durano abbastanza a lungo.

I punti quantici risolverebbero questi problemi. Sono molto luminosi e svaniscono molto lentamente. Il loro colore può ancora risaltare dopo un mese. Inoltre, sono troppo piccoli per influenzare fisicamente il movimento di cellule o molecole.

Queste proprietà rendono i punti quantici popolari nella ricerca medica. Oggigiorno i punti quantici vengono utilizzati principalmente per l'imaging 3D ad alta risoluzione di cellule o molecole, o sonde di tracciamento in tempo reale all'interno o all'esterno dei corpi degli animali che possono durare per un lungo periodo.

Ma il loro uso è ancora limitato alla ricerca sugli animali, perché gli scienziati sono preoccupati per il loro uso negli esseri umani. I punti quantici contengono comunemente cadmio, un metallo pesante altamente velenoso e cancerogeno. Possono perdere il metallo tossico o formare un aggregato instabile, causando morte cellulare e infiammazione. Alcuni organi possono tollerare una piccola quantità di questo, ma il cervello non può sopportare tale danno.

Come si comportano i punti quantici nel cervello

I miei colleghi ed io crediamo che un primo passo importante verso un uso più ampio dei punti quantici in medicina sia capire come si comportano negli ambienti biologici. Ciò potrebbe aiutare gli scienziati a progettare punti quantici adatti alla ricerca medica e alla diagnostica:quando vengono iniettati nel corpo, hanno bisogno di rimanere piccole particelle, non essere molto tossico e in grado di colpire tipi specifici di cellule.

Abbiamo guardato alla stabilità, tossicità e interazioni cellulari dei punti quantici nel cervello in via di sviluppo dei ratti. Abbiamo avvolto i minuscoli punti quantici in diversi "cappotti" chimici. Gli scienziati credono che questi cappotti, con le loro varie proprietà chimiche, controllare il modo in cui i punti quantici interagiscono con l'ambiente biologico che li circonda. Quindi abbiamo valutato come si comportano i punti quantici in tre modelli correlati al cervello comunemente usati:colture cellulari, fette di cervello di ratto e singoli ratti vivi.

Abbiamo scoperto che diversi rivestimenti chimici danno ai punti quantici comportamenti diversi. I punti quantici con un rivestimento polimerico di glicole polietilenico (PEG) erano i più promettenti. Sono più stabili e meno tossici nel cervello di ratto, e ad una certa dose non uccidono le cellule. Si scopre che i punti quantici rivestiti con PEG attivano un percorso biologico che accelera la produzione di una molecola che disintossica il metallo. È un meccanismo protettivo incorporato nelle cellule che evita i danni provocati dai punti quantici.

Anche i punti quantici vengono "mangiati" dalla microglia, cellule immunitarie interne del cervello. Queste cellule regolano l'infiammazione nel cervello e sono coinvolte in molteplici disturbi cerebrali. I punti quantici vengono quindi trasportati ai lisosomi della microglia, i bidoni della spazzatura della cella, per degrado.

Ma abbiamo anche scoperto che i comportamenti dei punti quantici variano leggermente tra le colture cellulari, fette di cervello e animali vivi. I modelli semplificati possono dimostrare come risponde una parte del cervello, ma non sostituiscono l'intero organo.

Per esempio, le colture cellulari contengono cellule cerebrali ma mancano delle reti cellulari connesse che hanno i tessuti. Le fette di cervello hanno più struttura delle colture cellulari, ma mancano anche della barriera emato-encefalica dell'intero organo, la sua "Grande Muraglia" che impedisce l'ingresso di oggetti estranei.

Qual è il futuro dei punti quantici?

I nostri risultati offrono un avvertimento:la ricerca sulla nanomedicina nel cervello non ha senso senza considerare attentamente la complessità dell'organo.

Detto ciò, pensiamo che i nostri risultati possano aiutare i ricercatori a progettare punti quantici più adatti all'uso nei cervelli viventi. Per esempio, la nostra ricerca mostra che i punti quantici rivestiti con PEG rimangono stabili e relativamente non tossici nel tessuto cerebrale vivente, pur avendo grandi prestazioni di imaging. Immaginiamo che possano essere usati per tracciare i movimenti in tempo reale di virus o cellule nel cervello.

Nel futuro, insieme a risonanza magnetica o TC, i punti quantici possono diventare strumenti di imaging vitali. Potrebbero anche essere usati come vettori tracciabili che forniscono farmaci a cellule specifiche. In definitiva, anche se, affinché i punti quantici realizzino il loro potenziale biomedico oltre la ricerca, gli scienziati devono affrontare i problemi di salute e sicurezza.

Anche se c'è una lunga strada da percorrere, io e i miei colleghi speriamo che il futuro dei punti quantici possa essere luminoso e colorato come gli stessi atomi artificiali.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.