Un equipo de investigación ha demostrado cómo las nanopartículas emisoras de luz, desarrolladas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU., Se pueden utilizar para ver en profundidad los tejidos vivos.
Las nanopartículas especialmente diseñadas pueden excitarse con luz láser de potencia ultrabaja en longitudes de onda del infrarrojo cercano que se consideran seguras para el cuerpo humano. Absorben esta luz y luego emiten luz visible que se puede medir con un equipo de imágenes estándar.
El desarrollo y la aplicación de imágenes biológicas de estas nanopartículas se detallan en un estudio publicado en línea el 6 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza .
Los investigadores esperan desarrollar aún más estas nanopartículas aleadas de conversión ascendente, o aUCNP, para que puedan adherirse a componentes específicos de las células para servir en un sistema de imágenes avanzado para iluminar incluso células cancerosas individuales, por ejemplo. Tal sistema puedeen última instancia, guían las cirugías de alta precisión y los tratamientos de radiación, y ayudan a borrar incluso los rastros más pequeños de cáncer.
"Con un láser incluso más débil que un puntero láser verde estándar, podemos obtener imágenes profundas en el tejido", dijo Bruce Cohen, quien es parte de un equipo científico en la Fundición Molecular de Berkeley Lab que está trabajando con investigadores de UC San Francisco para adaptar elnanopartículas para usos médicos. Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en investigación en nanociencia; es accesible para científicos visitantes de todo el país y el mundo.
Cohen señaló que algunos sistemas de imágenes existentes utilizan luz láser de mayor potencia que corre el riesgo de dañar las células.
"El desafío es: ¿Cómo obtenemos imágenes de sistemas vivos a alta sensibilidad sin dañarlos? Esta combinación de luz de baja energía y poderes de láser bajo es lo que todos en el campo han estado trabajando durante un tiempo", dijo.La potencia del láser necesaria para los aUCNP es millones de veces menor que la potencia necesaria para las sondas de imágenes de infrarrojo cercano convencionales.
En este último estudio, los investigadores han demostrado cómo se pueden obtener imágenes de los aUCNP en tejido de ratón vivo a varios milímetros de profundidad. Se excitaron con láseres lo suficientemente débiles como para no causar ningún daño.
Los investigadores inyectaron nanopartículas en las almohadillas de grasa mamaria de los ratones y registraron imágenes de la luz emitida por las partículas, que no parecían presentar ninguna toxicidad para las células.
Se requerirán más pruebas para saber si los aUCNP producidos en Berkeley Lab se pueden inyectar de manera segura en humanos y para probar los recubrimientos que los científicos de Berkeley Lab están diseñando para unirse específicamente a células cancerosas.
El Dr. Mekhail Anwar, un oncólogo radioterapeuta y profesor asistente en la UC San Francisco que participó en el último estudio, señaló que existen numerosas técnicas de escaneo médico para localizar cánceres, desde mamografías hasta resonancias magnéticas y escáneres PET-CT, peroestas técnicas pueden carecer de detalles precisos a escalas muy pequeñas.
"Realmente necesitamos saber exactamente dónde está cada célula cancerosa", dijo Anwar, un usuario de Foundry que colabora con los científicos de Molecular Foundry en su investigación. "Por lo general, decimos que tiene suerte cuando lo detectamos temprano y el cáncer es soloaproximadamente un centímetro, eso es aproximadamente mil millones de células. Pero, ¿dónde se esconden los grupos más pequeños de células?
Es de esperar que el trabajo futuro en Molecular Foundry conduzca a técnicas mejoradas para obtener imágenes del cáncer utilizando los aUCNP, dijo, y los investigadores están desarrollando un sensor de imágenes para integrarse con nanopartículas que podrían unirse a equipos quirúrgicos e incluso guantes quirúrgicos para identificar el cáncer en calientemanchas durante los procedimientos quirúrgicos.
Un gran avance en el desarrollo de UCNP del laboratorio fue encontrar formas de aumentar su eficiencia en la emisión de la luz absorbida a energías más altas, dijo Emory Chan, un científico del personal de Molecular Foundry que también participó en el último estudio.
Durante décadas, la comunidad de investigadores había creído que la mejor manera de producir estos llamados materiales de conversión ascendente era implantarlos o "doparlos" con una baja concentración de metales conocidos como lantánidos. Demasiados de estos metales, los investigadores habían creído, haría que la luz que emiten se vuelva menos brillante con más de estos metales agregados.
Pero los experimentos dirigidos por los investigadores de Molecular Foundry Bining "Bella" Tian y Angel Fernandez-Bravo, quienes hicieron UCNP ricos en lantánidos y midieron sus propiedades, alteraron esta comprensión predominante.
Los estudios de UCNP individuales demostraron ser especialmente valiosos al mostrar que el erbio, un lantánido que antes se pensaba que solo desempeñaba un papel en la emisión de luz, también puede absorber directamente la luz y liberar otro lantánido, el iterbio, para absorber más luz. Emory Chan, miembro del personalcientífico de Molecular Foundry que también participó en el último estudio, describió el papel multitarea recién descubierto del erbio en los UCNP como una "triple amenaza".
Los UCNP utilizados en el último estudio miden alrededor de 12-15 nanómetros mil millonésimas de metro de ancho, lo suficientemente pequeños como para permitirles penetrar en el tejido. "Sus cáscaras crecen como una cebolla, una capa a la vez".Chan dijo.
Jim Schuck, un participante del estudio y ex científico de Berkeley Lab ahora en la Universidad de Columbia, señaló que el último estudio se basa en un esfuerzo de una década en Molecular Foundry para comprender, rediseñar y encontrar nuevas aplicaciones para UCNP.
"Este nuevo paradigma en el diseño UCNP, que conduce a partículas mucho más brillantes, es un verdadero cambio de juego para todas las aplicaciones de imágenes UCNP individuales", dijo.
Los investigadores de Molecular Foundry trabajarán en formas de automatizar la fabricación de nanopartículas con robots y de recubrirlas con marcadores que se unan selectivamente a las células cancerosas.
Cohen dijo que el trabajo colaborativo con UCSF ha abierto nuevas vías de exploración para UCNP y espera que el esfuerzo de investigación crezca.
"Nunca hubiéramos pensado en usarlos para obtener imágenes durante las cirugías", dijo. "Trabajar con investigadores como Mekhail abre esta maravillosa polinización cruzada de diferentes campos e ideas diferentes".
Anwar dijo: "Estamos muy agradecidos de tener acceso al conocimiento y la amplia gama de instrumentación" en la Fundición Molecular del Laboratorio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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