Imagine una píldora de oro microscópica que podría viajar a una ubicación específica en su cuerpo y administrar un medicamento justo donde se necesita. Esta es la promesa de las nanovesículas plasmónicas.
Estas diminutas cápsulas pueden navegar por el torrente sanguíneo y, cuando se golpea con un pulso rápido de luz láser, cambiar de forma para liberar su contenido. Luego puede salir del cuerpo, dejando solo el paquete deseado.
Este método de liberación de drogas a demanda y activado por la luz podría transformar la medicina, especialmente el tratamiento del cáncer. Los médicos están comenzando a evaluar las nanovesículas plasmónicas en los tumores de cabeza y cuello. También pueden ayudar a los esfuerzos para estudiar el sistema nervioso en tiempo realy proporcionar información sobre cómo funciona el cerebro.
Sin embargo, como muchos aspectos de la nanotecnología, el diablo está en los detalles. Aún se desconoce mucho sobre el comportamiento específico de estas nanopartículas, por ejemplo, las longitudes de onda de la luz a las que responden y la mejor manera de diseñarlas.
Escribiendo en la edición de octubre de 2017 de Materiales ópticos avanzados , Zhenpeng Qin, profesor asistente de Ingeniería Mecánica y Bioingeniería en la Universidad de Texas en Dallas, su equipo y colaboradores de la Universidad de Reims Dr. Jaona Randrianalisoa, informaron los resultados de las investigaciones computacionales sobre las propiedades ópticas colectivasde vesículas plasmónicas complejas.
Utilizaron las supercomputadoras Stampede y Lonestar en el Centro de Computación Avanzada de Texas, así como los sistemas en el Centro de Computación ROMEO en la Universidad de Reims Champagne-Ardenne y el Centro de Supercomputación de San Diego a través del Extreme Science and Engineering Discovery Environment pararealizar experimentos virtuales a gran escala de vesículas con luz.
"Muchas personas fabrican nanopartículas y las observan usando microscopía electrónica", dijo Qin. "Pero los cálculos nos dan un ángulo único del problema. Proporcionan una mejor comprensión de las interacciones y conocimientos fundamentales para que podamos diseñarlos mejorpartículas para aplicaciones específicas "
Oro biomédico llamativo
Las nanopartículas de oro son un ejemplo prometedor de un nanomaterial plasmónico. A diferencia de las sustancias normales, las nanopartículas plasmónicas típicamente hechas de metales nobles tienen propiedades inusuales de dispersión, absorbancia y acoplamiento debido a sus geometrías y características electromagnéticas. Una consecuencia de esto es queinteractúa fuertemente con la luz y puede calentarse con luz visible y ultravioleta, incluso a distancia, lo que lleva a cambios estructurales en las partículas, desde la fusión hasta la expansión y la fragmentación.
Los liposomas recubiertos con nanopartículas de oro - sacos esféricos que encierran un núcleo acuoso que se puede usar para transportar drogas u otras sustancias a los tejidos - han demostrado ser agentes prometedores para la liberación de contenido inducido por la luz. Pero estas nanopartículas necesitan poderpara limpiar el cuerpo a través del sistema renal, lo que limita el tamaño de las nanopartículas a menos de unos pocos nanómetros.
La forma específica de la nanopartícula, por ejemplo, qué tan juntas están las moléculas de oro individuales, qué tan grande es el núcleo y el tamaño, la forma, la densidad y las condiciones de la superficie de la nanopartícula, determina cómo y qué tan bien,las funciones de nanopartículas y cómo se puede manipular.
Qin ha dirigido su atención en los últimos años a la dinámica de los grupos de pequeñas nanopartículas de oro con núcleos de liposomas, y sus aplicaciones en las áreas de diagnóstico y terapéuticas.
"Si colocamos las nanopartículas alrededor de una nano vesícula, podemos usar luz láser para abrir la vesícula y liberar moléculas de interés", explicó. "Tenemos la capacidad de ensamblar un número diferente de partículas alrededor de una vesícula porrecubriendo la vesícula en una capa de partículas muy pequeñas. ¿Cómo podemos diseñar esta estructura? Es un problema bastante interesante y complejo. ¿Cómo interactúan las nanopartículas entre sí? ¿Qué tan separadas están, cuántas hay? "
Las simulaciones proporcionan información fundamental y práctica
Para obtener información sobre cómo funcionan las nanopartículas plasmónicas y cómo se pueden diseñar de manera óptima, Qin y sus colegas utilizan la simulación por computadora además de los experimentos de laboratorio.
En su estudio reciente, Qin y su equipo simularon varios tamaños de núcleos de liposomas, tamaños de recubrimiento de nanopartículas de oro, una amplia gama de densidades de recubrimiento y organizaciones de recubrimiento al azar versus uniformes. Los recubrimientos incluyen varios cientos de partículas de oro individuales, que se comportan colectivamente.
"Es muy simple simular una partícula. Puede hacerlo en una computadora ordinaria, pero somos uno de los primeros en observar una vesícula compleja", dijo Randrianalisoa. "Es realmente emocionante observar cómo los agregados deLas nanopartículas que rodean el núcleo lipídico modifican colectivamente la respuesta óptica del sistema ".
El equipo utilizó el método de cálculo de aproximación dipolar discreta DDA para hacer predicciones de las características de absorción óptica de los sistemas de liposomas recubiertos de oro. DDA permite calcular la dispersión de radiación por partículas de forma y organización arbitrarias.El método tiene la ventaja de permitir al equipo diseñar nuevas formas y estructuras complejas y determinar cuantitativamente cuáles serán sus características de absorción óptica.
Los investigadores encontraron que las nanopartículas de oro que conforman la superficie externa tienen que estar suficientemente juntas, o incluso superpuestas, para absorber suficiente luz para que el sistema de entrega sea efectivo. Identificaron un rango intermedio de condiciones ópticas conocidas como"régimen de oro negro", donde las nanopartículas de oro compactas responden a la luz en todas las longitudes de onda, lo que puede ser muy útil para una variedad de aplicaciones.
"Nos gustaría desarrollar partículas que interactúen con la luz en el rango del infrarrojo cercano, con longitudes de onda de alrededor de 700 a 900 nanómetros, para que tengan una penetración más profunda en el tejido", explicó Qin.
Anticipan que este estudio proporcionará pautas de diseño para nano-ingenieros y tendrá un impacto significativo en el desarrollo adicional de nanoestructuras y vesículas plasmónicas complejas para aplicaciones biomédicas.
En un estudio separado publicado en ACS Sensors en octubre de 2017, Qin y sus colaboradores mostraron la efectividad de las nanopartículas de oro para los ensayos que detectan enfermedades infecciosas y otros objetivos biológicos y químicos.
Inspirado por los desarrollos recientes en optogenética, que usa luz para controlar las células típicamente neuronas en los tejidos vivos, Qin y su equipo planean usar la tecnología para desarrollar un sistema versátil activado ópticamente para realizar estudios en tiempo real de la actividad cerebral ycomportamiento.
Espera que la función de liberación rápida de la nueva técnica proporcione la velocidad suficiente para estudiar la comunicación neuronal en la investigación en neurociencia.
"Hay muchas oportunidades para usar los cálculos para comprender las interacciones fundamentales y los mecanismos que no podemos medir", dijo Qin. "Eso puede retroalimentar nuestra investigación experimental para que podamos avanzar mejor estas diferentes técnicas para ayudar a las personas"."
La investigación fue apoyada por el Instituto de Prevención e Investigación del Cáncer de Texas RP160770, la National Science Foundation ENG-1631910, ACI-1053575 y el Centro de Investigación de Fosfolípidos Número de concesión: 1603574.
Stampede fue apoyada por premios de la National Science Foundation ACI-1134872.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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