Квантовые точки в онкологии

Квантовые точки и области их применения

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Самыми первыми квантовыми точками были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трехмерной потенциальной яме — он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки).

Полупроводниковые квантовые точки уже давно зарекомендовали себя в микро- и наноэлектронике. На их основе могут вскоре появиться сверхчеткие цветные дисплеи нового типа, приборы ночного видения высокого разрешения, быстродействующие процессоры и многое другое.

Однако в медицинской отрасли квантовые точки подают не меньше надежд. В первую очередь их применение связано с диагностикой и лечением раковых заболеваний. Диагностика рака на ранних стадиях развития заболевания может быть произведена именно с помощью флуоресцентных квантовых точек.

Ряд физических свойств квантовых точек делает их идеальными кандидатами для маркирования и последующей диагностики опухолей. Основным преимуществом квантовых точек является то, что на их поверхность можно легко нанести биологические маркеры – белки, фрагменты ДНК и РНК, обладающие сильной адгезией к определенному виду клеток. Другое не менее важное свойство квантовых точек – их высокая яркость при флуоресцировании.

Новый метод исследования клетки с помощью «CU dots»

Недавно ученым из Корнельского университета удалось синтезировать квантовые точки, которые могут использоваться в исследованиях клетки. С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видно, но для этого клетку приходится умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп, благодаря флуоресценции маркеров. Поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.

Что же нового удалось привнести в уже отлаженную процедуру исследований ученым из Корнельского университета? Во-первых, обычные квантовые точки химически активны, что может негативно повлиять на проводимые с их использованием исследования. Во-вторых, новый тип квантовых точек в 30 раз ярче обычных, что позволило «высвечивать» внутри клетки отдельные молекулы. И, в-третьих, они могут присоединяться только к тем молекулам, маркеры которых исследователи «запрограммируют» в квантовой точке. Все эти выгоды ученым принесла новая архитектура построения наночастиц: теперь квантовая точка — это довольно сложное программируемое наноустройство.

[an error occurred while processing the directive]

Новая технология, разработанная исследователями, заключается в том, что квантовые точки обрабатывают, нанося на них специальное кремниевое покрытие и добавляют специфические метки, которые позволяют придавать «Cornell Dot» различные свойства.

Так, например, можно сделать квантовые точки флуоресцентными и использовать их для исследования живых тканей с помощью оптической микроскопии. «С помощью наших квантовых точек ученые могут проводить исследования, которые без их использования невозможны», — говорит Ульрих Вайснер, профессор материаловедения из Корнельского университета.

«Cornell dots», или «CU dots» — наночастицы, состоящие из ядра диаметром 2,2 нанометра, помещенного в кремниевую оболочку, содержащую молекулы флуоресцентной краски. Диаметр наночастицы целиком — 25 нанометров. Ученые назвали такое строение квантовой точки архитектурой ядро-оболочка.

Ранее для нанесения на поверхность квантовой точки белкового маркера нужно было использовать дорогостоящий производственный процесс, который состоял в том, что квантовую точку инкапсулировали в полимер. Переход на кремний позволит значительно сократить стоимость диагностики, и, как следствие, сделает ее общедоступной для больниц (для ранней диагностики рака, например).

В контрольном исследовании ученые выявили раковые клетки в образце ткани человека, больного лейкемией (см. рис. 2). Антитела иммуноглобулина Е (IgE), расположенные на поверхности раковых клеток, связывались с наночастицами, а результат было видно в оптический микроскоп.

Квантовые наномаркеры: новые методы медицинской визуализации

Оптические свойства новых квантовых точек довольно необычны. Физики задались вопросом: почему эти квантовые точки такие яркие? Ведь суммарная яркость всех частей одной наночастицы меньше всей световой энергии, излучаемой ею. Было предложено несколько объяснений. Одно из них заключается в том, что кремниевая оболочка защищает флуоресцентные метки от контакта со средой.

Команда исследователей из университета Джорджии и университета Атланты наглядно продемонстрировала, как могут квантовые точки «ловить» опухоли и показывать их врачам.

Ученые использовали свойство, характерное только для нанокристаллов — это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определённой частотой. Его-то учёные и используют для нахождения и визуализации опухоли. Сложнейшее определение точной дислокации опухоли теперь можно определить, всего лишь впрыснув пациенту раствор квантовых наномаркеров. Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвлённая, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.

Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Но есть и другой путь — активный. Он даёт более быстрые и главное — более точные результаты. Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.

В данном опыте кристаллы нанометровых размеров селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с молекулой-антигеном на поверхности клеток опухоли, привитой мышам. В предыдущих похожих исследованиях биологи сталкивались с проблемой: квантовые точки, введённые в организм, оказывались недолговечными. Нужно было найти способ защитить их каким-то щитом, в то же время сохраняя все их способности по обнаружению и высвечиванию опухоли. Это и удалось группе учёных из Атланты и Джорджии.

Эти медицинские достижения, без сомнения, впечатляют. Медики вскоре получат еще один мощный инструмент диагностики – квантовые точки. Их «умное» использование в медицине только начинается.

Квантовые точки – это наночастицы полупроводников (селенид кадмия, например), ведущие себя как отдельные атомы. Они могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и выделять свет при переходе электронов на низкоэнергетический уровень. Благодаря этому свойству их и используют в качестве флуоресцентных меток. Обычно размеры квантовых точек измеряются десятками нанометров.

Квантовые точки и области их применения

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Самыми первыми квантовыми точками были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трехмерной потенциальной яме – он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки).

Полупроводниковые квантовые точки уже давно зарекомендовали себя в микро- и наноэлектронике. На их основе могут вскоре появиться сверхчеткие цветные дисплеи нового типа, приборы ночного видения высокого разрешения, быстродействующие процессоры и многое другое.

Однако в медицинской отрасли квантовые точки подают не меньше надежд. В первую очередь их применение связано с диагностикой и лечением раковых заболеваний. Диагностика рака на ранних стадиях развития заболевания может быть произведена именно с помощью флуоресцентных квантовых точек.

Ряд физических свойств квантовых точек делает их идеальными кандидатами для маркирования и последующей диагностики опухолей. Основным преимуществом квантовых точек является то, что на их поверхность можно легко нанести биологические маркеры – белки, фрагменты ДНК и РНК, обладающие сильной адгезией к определенному виду клеток. Другое не менее важное свойство квантовых точек – их высокая яркость при флуоресцировании.

Новый метод исследования клетки с помощью «CU dots»

Недавно ученым из Корнельского университета (CU) удалось синтезировать квантовые точки, которые могут использоваться в исследованиях клетки. С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видно, но для этого клетку приходится умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп, благодаря флуоресценции маркеров. Поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.

Что же нового удалось привнести в уже отлаженную процедуру исследований ученым из Корнельского университета? Во-первых, обычные квантовые точки химически активны, что может негативно повлиять на проводимые с их использованием исследования. Во-вторых, новый тип квантовых точек в 30 раз ярче обычных, что позволило «высвечивать» внутри клетки отдельные молекулы (на рисунке Cornell University красным выделена молекула родаминовой флуоресцентной метки). И, в-третьих, они могут присоединяться только к тем молекулам, маркеры которых исследователи «запрограммируют» в квантовой точке. Все эти выгоды ученым принесла новая архитектура построения наночастиц: теперь квантовая точка – это довольно сложное программируемое наноустройство.

Новая технология, разработанная исследователями, заключается в том, что квантовые точки обрабатывают, нанося на них специальное кремниевое покрытие и добавляют специфические метки, которые позволяют придавать «Cornell Dot» различные свойства.

Так, например, можно сделать квантовые точки флуоресцентными и использовать их для исследования живых тканей с помощью оптической микроскопии. «С помощью наших квантовых точек ученые могут проводить исследования, которые без их использования невозможны», — говорит Ульрих Вайснер, профессор материаловедения из Корнельского университета.

«Cornell dots», или «CU dots» — наночастицы, состоящие из ядра диаметром 2,2 нанометра, помещенного в кремниевую оболочку, содержащую молекулы флуоресцентной краски. Диаметр наночастицы целиком — 25 нанометров. Ученые назвали такое строение квантовой точки архитектурой ядро-оболочка.

Ранее для нанесения на поверхность квантовой точки белкового маркера нужно было использовать дорогостоящий производственный процесс, который состоял в том, что квантовую точку инкапсулировали в полимер. Переход на кремний позволит значительно сократить стоимость диагностики, и, как следствие, сделает ее общедоступной для больниц (для ранней диагностики рака, например).

В контрольном исследовании ученые выявили раковые клетки в образце ткани человека, больного лейкемией. Молекулы иммуноглобулина Е (IgE), расположенные на поверхности раковых клеток, связывались с наночастицами, а результат было видно в оптический микроскоп.

Квантовые наномаркеры: новые методы медицинской визуализации

Оптические свойства новых квантовых точек довольно необычны. Физики задались вопросом: почему эти квантовые точки такие яркие? Ведь суммарная яркость всех частей одной наночастицы меньше всей световой энергии, излучаемой ею. Было предложено несколько объяснений. Одно из них заключается в том, что кремниевая оболочка защищает флуоресцентные метки от контакта со средой.

Команда исследователей из университета Джорджии и университета Атланты наглядно продемонстрировала, как могут квантовые точки «ловить» опухоли и показывать их врачам.

Ученые использовали свойство, характерное только для нанокристаллов — это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определённой частотой. Его-то учёные и используют для нахождения и визуализации опухоли. Сложнейшее определение точной дислокации опухоли теперь можно определить, всего лишь впрыснув пациенту раствор квантовых наномаркеров. Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвлённая, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.

Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Но есть и другой путь — активный. Он даёт более быстрые и главное — более точные результаты. Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.

В данном опыте кристаллы нанометровых размеров селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с молекулой-антигеном на поверхности клеток опухоли, привитой мышам. В предыдущих похожих исследованиях биологи сталкивались с проблемой: квантовые точки, введённые в организм, оказывались недолговечными. Нужно было найти способ защитить их каким-то щитом, в то же время сохраняя все их способности по обнаружению и высвечиванию опухоли. Это и удалось группе учёных из Атланты и Джорджии.

Эти медицинские достижения, без сомнения, впечатляют. Медики вскоре получат еще один мощный инструмент диагностики – квантовые точки. Их «умное» использование в медицине только начинается.

Ученые из Университета Эмори (Emory University) и Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) продемонстрировали, что флуоресцентные наночастицы, известные как квантовые точки, являются идеальным инструментом для различения и идентификации редких раковых клеток в биопсийных тканевых образцах.

Клетки Рида-Стернберга можно отличить по их
красным контурам, синему и белому окрашиванию
внутренней среды и отсутствию зеленого окрашивания.
(Фото: Shuming Nie)

Статья, которая будет проанонсирована на обложке очередного (15.07.2010) номера журнала Analytical Chemistry, описывает, как связанные с антителами многоцветные квантовые точки определяют клетки Рида-Стернберга, характерные для лимфомы Ходжкина.

«Наши методы окрашивания многоцветными квантовыми точками обеспечивают быстрое обнаружение и идентификацию редких злокачественных клеток в гетерогенной ткани образца», – говорит старший автор доктор философии Шуминг Ни (Shuming Nie), профессор кафедры биомедицинской инженерии в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори. «Клиническое использование таких квантовых точек не ограничивается лимфомой Ходжкина и потенциально может быть расширено до обнаружения стволовых раковых клеток, ассоциированных с опухолью макрофагов и других редких типов клеток».

Квантовые точки – наноразмерные полупроводниковые кристаллы, обладающие уникальными химическими и физическими свойствами благодаря своим размерам и очень компактной структуре. Квантовые точки можно химически связать с антителами, способными обнаруживать молекулы, находящиеся на поверхности или внутри раковых клеток.

Чтобы подтвердить возможности квантовых точек различать молекулы, для окрашивания ткани биопсийных образцов, взятых из лимфатических узлов, ученые одновременно использовали четыре варианта – белый, красный, зеленый и синий, каждый из которых определял только один белок. Цель заключалась в том, чтобы отличить шесть случаев лимфомы Ходжкина от двух других типов лимфомы и образцов, взятых у двух пациентов с доброкачественными новообразованиями лимфатических узлов.

Клетки Рида-Стернберга имеют характерный внешний вид, но в ткани лимфатических узлов они обычно находятся в окружении белых кровяных клеток. В таких условиях, считают ученые, обнаружить их ничуть не легче, чем найти иголку в стоге сена.

«Мы очень рады появлению этого метода», – говорит доктор медицины Эндрю Янг (Andrew Young), доцент кафедры патологии и лабораторной медицины Медицинской школы Университета Эмори (Emory University School of Medicine). «Мы рассчитываем, что он поможет отслеживать результаты получаемого больным лечения и может быть использован при многих других формах рака».

Самый надежный способ идентифицировать клетку – увидеть более чем один из ее белков. Стандартными методами в большинстве патологических лабораторий окрашивание клеток четырьмя различными антителами потребует четырех отдельных стекол – проблема, если образец очень мал. Сегодня же обычно берутся маленькие диагностические образцы, так как они снижают нагрузку на пациента. Кроме того, на нескольких отдельных стеклах могут находиться разные клетки. Квантовые точки позволяют «мультиплексирование»: наложение друг на друга четырех цветов.

Лимфома Ходжкина обычно лечится химиотерапией и облучением и выделяется среди подтипов лимфом относительно высоким уровнем выживаемости. Янг считает, что метод квантовых точек будет полезен и при других типах рака, где дифференциация раковых клеток, основанная на поверхностных или генетических маркерах, может указать онкологам путь к адресной терапии, разработанной для конкретного типа опухоли.

Исследование поддержано Национальным институтом рака (National Cancer Institute).

Источники: http://zoom.cnews.ru/rnd/article/item/kvantovye_tochki_pomogayut_diagnostirovat_rak, http://cbio.ru/page/43/id/2843/, http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/mnogotsvetnye-kvantovye-tochki-dlya-diagnostiki-raka

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *