Shromažďovacie nanoprojekty hlásia o podmienkach vnútorného tela pomocou magnetických polí

Anonim

Shromažďovacie nanoprojekty hlásia o podmienkach vnútorného tela pomocou magnetických polí

lekársky

Colin Jeffrey

6. apríla 2015

3 obrázky

Výskumníci tvrdia, že vytvorili nanoprojektory s posunom tvaru schopné hlásiť podmienky vnútorného tela (obrázok: Kelley / NIST PML)

Vedci z Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) a National Institutes of Health (NIH) vyvinuli nový typ nanoprobe, ktorý mení polohu tvaru, ktorý dokáže vykonávať diaľkové biologické snímanie s vysokým rozlíšením, ktoré nie je možné so súčasnou technológiou. Okolo jednej desatiny veľkosti jednej červenej krvinky sú nanoprojekty navrhnuté tak, aby poskytovali spätnú väzbu o vnútorných telesných podmienkach tým, že zmenia svoje magnetické polia ako odpoveď na svoje prostredie. Výskumníci predpovedajú rozsiahle aplikácie nanoprobes v oblastiach chémie, biológie, inžinierstva a jedného dňa na pomoc lekárom v klinickej diagnostike s vysokou presnosťou.

Dvanásť geometricky kódovaných magnetických senzorov (GEM) sú nanoprojekty mikroprocesované z dvoch platní magnetických kovových diskov o priemere 0, 5 až 2 mikrometre a hrúbke len desiatok nanometrov. Tieto sú vytvorené na obidvoch stranách polymérového gélu, aby sa vytvorila zložka zložená z mikromiitúry.

Konkrétnejšie je polymérom vrstva hydrogélu, sieť polymérnych reťazcov, ktoré sú hydrofilné (absorbujú vodu) a sú schopné výrazne expandovať v závislosti od úrovne vlhkosti v prostredí, v ktorom sa používajú. Podobne sa gél môže zmiešať aj vtedy, keď je prostredie s nízkou vlhkosťou. Ako taký, rozťahovanie alebo zmršťovanie tohto gélu potom mení vzdialenosť medzi dvoma magnetickými disky a naopak zvyšuje alebo znižuje magnetické pole.

Táto zmena sily magnetického poľa ovplyvňuje rezonančnú frekvenciu protónov obsiahnutých vo vodných molekulách v géli a okolo nich v reakcii na aplikované rádiofrekvenčné žiarenie. Výsledkom je, že skenovanie prostredia s rôznymi frekvenciami umožňuje rýchlu identifikáciu tvaru nanoprobov v tom čase. To umožňuje určenie vzdialených podmienok, ktoré sa merajú.

Nadmerná výhoda tohto druhu merania nanoprobe spočíva v tom, že používa RF energiu na pozorovanie podmienok v tele v väčších hĺbkach as vyšším rozlíšením a citlivosťou. Mnohé existujúce zobrazovacie technológie, ktoré sa zameriavajú na biochemické prostredie, ako je abnormálna kyslosť alebo alkalita a koncentrácia iónov, závisia od množstva senzorov nano veľkosti, ktoré sa prevádzkujú a vyhodnocujú pomocou svetla na viditeľných frekvenciách. Rozlíšenie týchto optických signálov sa však výrazne znižuje vzhľadom na ich hĺbku v skúmanom tele, čím sa obmedzuje ich použitie na ľahko prístupné oblasti.

Podľa výskumného tímu sa kombinácia magnetických diskov / hydrogélov neobmedzuje na ľahko prístupné alebo plytké oblasti, čo umožňuje analyzovanie prostredia v reálnom čase na molekulárnej úrovni zakrytých hlboko vnútri tkanivových štruktúr.

"Náš dizajn je založený na úplne odlišných princípoch prevádzky, " povedal Dr Gary Zabow, senior výskumný pracovník spoločnosti NIST. "Namiesto opticky založeného snímania sú sondy na zmenu tvaru navrhnuté tak, aby fungovali v rádiofrekvenčnom (RF) spektre, aby boli detekovateľné pomocou štandardného vybavenia na NMR (magnetic resonance imaging) alebo magnetickej rezonancie (MRI). rozsahy, signály nie sú napríklad výrazne oslabené zasahujúcimi biologickými materiálmi. "

Vedci skúšali nanoprojekty v rôznych riešeniach, vrátane roztokov s rôznym pH, koncentráciou iónov a v rastovom médiu kvapaliny obývané žijúcimi obličkovými bunkami, pozorujúc ich zmeny v metabolizme, keď prešli z fungovania na nefunkčné z dôvodu nedostatku kyslík. V tomto teste reakcia buniek zvýšila hladinu kyslosti rastového média a zmena sa zaznamenala v reálnom čase posunom v rezonančných frekvenciách pomocou GEM implantovaných do média.

Okrem toho vedci tvrdia, že základné sondy prvej generácie používané v týchto skorších skúškach boli schopné ľahko vyriešiť frekvenčné posuny, ktoré sú výsledkom vyšších rádov než akékoľvek porovnateľné pozorovania frekvenčných posunov, ktoré sa zhromažďujú prostredníctvom v súčasnosti dostupných metód magnetickej rezonančnej spektroskopie.

Hoci nie je prvým nanoprobom na zmenu stavu kvôli zmene v biologickom prostredí, v ktorom je umiestnený, grafénom plátovaná "cytobot" z University of Illinois v Chicagu je jedným z pozoruhodných príkladov - nanoprojekty GEM sú schopné priamo naznačujú skôr špecifický stav pH ako zmenu vlhkosti.

Vzhľadom na to, že meranie špecificky umiestnených hodnôt pH v živom tele je mimoriadne ťažké dosiahnuť, najmä ak také veci ako krvné testy jednoducho nie sú schopné nakresliť vysoko lokalizované vzorky, pretože sú príliš veľké a príliš veľké zmes okolitých kvapalín. Je to však dôležitá a cenná schopnosť detekcie pH v špecifických oblastiach, ktoré môžu byť významnou pomocou pri včasnej diagnostike určitých ochorení, napríklad pri indikácii neviditeľného nádoru.

"Samozrejme, tento druh potenciálneho použitia v živých organizmoch je stále ďaleko, " povedal Dr Zabow. "Naše dáta boli vykonané in vitro a niektoré potenciálne aplikácie senzorov nemusia byť vôbec biologické, ale dlhodobým cieľom je zlepšiť naše techniky až do okamihu, keď sa GEM môžu použiť na biomedicínske použitie.

Na to, aby vyhovovali takýmto dôležitým biologickým aplikáciám, by bolo potrebné väčšie zníženie veľkosti na niekde v oblasti menšej ako 100 nanometrov, aby sa umožnilo prístupu sond k všeobecne menším štruktúram, ktoré tvoria veľké množstvo ľudských telo.

Súčasný rad GEM je tiež možné upraviť počas ich vytvárania tak, aby reagoval na rôzne biochemické podmienky tým, že je prispôsobený na rezonanciu pri rôznych frekvenciách, v závislosti od gélovej kompozície a tvarov magnetov a použitých materiálov. To umožňuje vložiť rôzne štruktúrované nanočlánky do rovnakého lokalizovaného prostredia a - detegovaním ich odpovedí na rôznych frekvenciách - umožňuje detegovať a merať dve samostatné premenné naraz.

Vedci tvrdia, že túto schopnosť už preukázali skenovaním média s dvojrozmerne odlišným GEMS a detekciou signálov z obidvoch súčasne.

"Myšlienka je, že by ste mohli navrhnúť rôzne senzory na meranie rôznych vecí a efektívne merať panel potenciálnych biomarkerov súčasne, a nie len jeden, aby sme lepšie rozlíšili rôzne patológie, " povedal Dr Zabow. "Myslíme si, že tieto senzory môžu byť potenciálne prispôsobené na meranie rôznych biologických markerov, ktoré môžu zahŕňať napríklad glukózu, miestne teploty, rôzne koncentrácie iónov, prípadne prítomnosť alebo neprítomnosť rôznych enzýmov atď.

Budúca práca tímu sa zameriava na ďalšiu miniaturizáciu spolu s metódou na vytvorenie a prispôsobenie veľkého množstva týchto tvarovo posunujúcich nanoprobes na uvoľnenie v komerčných množstvách a prípadné využitie v budúcich technikách biomedicínskeho snímania.

"Práca na geometrických kódovaných magnetických senzoroch od Garyho Zabowa a kolegov je prirodzeným rozšírením výskumu publikovaného tímom spolu s Johnom Morelandom v NIST v roku 2008. Táto práca ukázala, ako môžu mikromagnety pôsobiť ako inteligentné značky, "potenciálne identifikovať konkrétne bunky, tkanivá alebo fyziologické podmienky, " povedal Ron Goldfarb, vodca skupiny NIST Magnetics Group. "Funkčne sú GEMS v súčasnej snahe pokročilejšie v tom, že zmenia svoj tvar v reakcii na podnety, a preto pôsobia ako meracie prístroje, pričom ďalšou výzvou bude optimalizácia návrhu a vývoj dimenzovane ovládanej veľkej výroby procesy, aby boli tieto snímače široko dostupné výskumným pracovníkom. "

Krátke video nižšie ukazuje ilustrované zobrazenie nanoprobes v akcii.

Výsledky tohto výskumu boli nedávno publikované v časopise Nature .

Zdroj: NIST

Zdá sa, že kombinácia magnetického disku / hydrogélu je schopná poskytnúť merania hlboko v tele (Obrázok: Kelley / NIST PML)

Výskumníci tvrdia, že vytvorili nanoprojektory s posunom tvaru schopné hlásiť podmienky vnútorného tela (obrázok: Kelley / NIST PML)

Zmeny v intenzite magnetického poľa ovplyvňujú rezonančnú frekvenciu protónov vo vodných molekulách v blízkosti nanoprobes (Obrázok: Kelley / NIST PML)