Il dipinto Diversi cerchi di Vasily Kandinsky (1926) raffigura meravigliosamente una situazione tipica, in cui nanoparticelle di diverse dimensioni e materiale coesistono in un campione. iNTA offre una risoluzione particolarmente elevata nell'identificazione di queste diverse popolazioni. Credito:Istituto Max Planck per la scienza della luce
Gli scienziati del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) e del Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) di Erlangen presentano un grande passo avanti nella caratterizzazione delle nanoparticelle. Hanno utilizzato uno speciale metodo di microscopia basato sull'interferometria per superare gli strumenti esistenti. Una possibile applicazione di questa tecnica potrebbe essere quella di identificare le malattie.
Le nanoparticelle sono ovunque. Sono nel nostro corpo come aggregati proteici, vescicole lipidiche o virus. Sono nella nostra acqua potabile sotto forma di impurità. Sono nell'aria che respiriamo come sostanze inquinanti. Allo stesso tempo, molti farmaci si basano sulla somministrazione di nanoparticelle, compresi i vaccini che ci sono stati somministrati di recente. In linea con le pandemie, anche i test rapidi utilizzati per la rilevazione del SARS-Cov-2 si basano su nanoparticelle. La linea rossa, che monitoriamo giorno dopo giorno, contiene miriadi di nanoparticelle d'oro rivestite con anticorpi contro le proteine che segnalano l'infezione.
Tecnicamente, si chiama qualcosa una nanoparticella quando la sua dimensione (diametro) è inferiore a un micrometro. Oggetti dell'ordine di un micrometro possono ancora essere misurati in un microscopio normale, ma le particelle che sono molto più piccole, diciamo più piccole di 0,2 micrometri, diventano estremamente difficili da misurare o caratterizzare. È interessante notare che questa è anche la gamma di dimensioni dei virus, che può arrivare fino a 0,02 micrometri.
Nel corso degli anni, scienziati e ingegneri hanno ideato una serie di strumenti per caratterizzare le nanoparticelle. Idealmente, si vuole misurare la loro concentrazione, valutarne le dimensioni e la distribuzione delle dimensioni e determinarne la sostanza. Un esempio di fascia alta è un microscopio elettronico. Ma questa tecnologia ha molte carenze. È molto ingombrante e costoso e gli studi richiedono troppo tempo perché i campioni devono essere preparati con cura e messi sottovuoto. E anche allora, resta difficile determinare la sostanza delle particelle che si vedono al microscopio elettronico.
Un dispositivo veloce, affidabile, leggero e portatile che può essere utilizzato nello studio del medico o sul campo avrebbe un impatto enorme. Pochi strumenti ottici sul mercato offrono tali soluzioni, ma la loro risoluzione e precisione sono state insufficienti per esaminare nanoparticelle più piccole, ad esempio molto più piccole di 0,1 micrometri (o altrimenti 100 nm).
La distribuzione delle vescicole estratte dall'urina di una persona sana in funzione della dimensione delle vescicole e del contrasto iSCAT (cioè, quanto fortemente diffondono la luce). Attualmente, i ricercatori stanno studiando tali distribuzioni in combinazione con varie malattie. Credito:Istituto Max Planck per la scienza della luce.
Un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light e del Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin hanno ora inventato un nuovo dispositivo che offre un grande passo avanti nella caratterizzazione delle nanoparticelle. Il metodo si chiama iNTA, abbreviazione di Interferometric Nanoparticle Tracking Analysis. I loro risultati sono riportati nel numero di maggio di Nature Methods .
Il metodo si basa sul rilevamento interferometrico della luce diffusa da singole nanoparticelle che vagano in un liquido. In un tale mezzo, l'energia termica muove continuamente le particelle in direzioni casuali. Si scopre che lo spazio che una particella esplora in un dato tempo è correlato alle sue dimensioni. In altre parole, le particelle piccole si muovono "più velocemente" e coprono un volume maggiore rispetto alle particelle grandi. L'equazione che descrive questo fenomeno, la relazione Stokes-Einstein, risale all'inizio del secolo scorso e da allora ha trovato impiego in molte applicazioni. In poche parole, se si potesse seguire una nanoparticella e raccogliere statistiche sulla sua traiettoria nervosa, si potrebbe dedurne le dimensioni. Quindi, la sfida è registrare filmati molto veloci di minuscole particelle che si muovono.
Negli ultimi due decenni gli scienziati dell'MPL hanno sviluppato uno speciale metodo di microscopia, noto come microscopia a diffusione interferometrica (iSCAT). Questa tecnica è estremamente sensibile nel rilevare le nanoparticelle. Applicando iSCAT al problema della diffusione delle nanoparticelle, il gruppo MPL si è reso conto di poter superare gli strumenti esistenti sul mercato. La nuova tecnologia ha un vantaggio particolare nella decifrazione di miscele di nanoparticelle con diverse dimensioni e diversi materiali.
Le applicazioni del nuovo metodo sono molteplici. Una linea di applicazioni particolarmente interessante riguarda i veicoli di dimensioni nanometriche secreti dalle cellule, le cosiddette vescicole extracellulari. Questi sono fatti di un guscio lipidico, proprio come una nano bolla di sapone. Ma il guscio e il liquido interno contengono anche proteine, che ci raccontano l'origine delle vescicole, cioè da quale organo o processo cellulare. Quando la quantità di proteine e/o le dimensioni delle vescicole si discostano dall'intervallo normale, è possibile che la persona sia malata. Pertanto, è molto importante trovare modi per caratterizzare le vescicole extracellulari.
I ricercatori dell'MPL e dell'MPZPM stanno ora lavorando allo sviluppo di un sistema da banco per consentire agli scienziati di tutto il mondo di beneficiare dei vantaggi di iNTA. + Esplora ulteriormente
