Design af en gylden nanopille

Forestil dig en mikroskopisk guldpille, der kunne rejse til et bestemt sted i din krop og levere et lægemiddel, lige hvor det er nødvendigt. Dette er løftet om plasmoniske nanovesikler.

Disse små kapsler kan navigere i blodbanen, og, når det rammes med en hurtig puls af laserlys, ændre form for at frigive deres indhold. Det kan så forlade kroppen, efterlader kun den ønskede pakke.

Denne on-demand, lysudløst lægemiddelfrigivelsesmetode kunne transformere medicin, især behandling af kræft. Klinikere begynder at teste plasmoniske nanovesikler på hoved- og halstumorer. De kan også hjælpe med at studere nervesystemet i realtid og give indsigt i, hvordan hjernen fungerer.

Imidlertid, ligesom mange aspekter af nanoteknologi, djævelen er i detaljerne. Meget er stadig ukendt om den specifikke adfærd af disse nanopartikler - f.eks. bølgelængderne af lys, de reagerer på, og hvordan man bedst konstruerer dem.

Skriver i oktober 2017-udgaven af Avancerede optiske materialer , Zhenpeng Qin, en assisterende professor i Mechanical Engineering and Bioengineering ved University of Texas i Dallas, hans hold, og samarbejdspartnere fra University of Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), rapporterede resultaterne af beregningsmæssige undersøgelser af de kollektive optiske egenskaber af komplekse plasmoniske vesikler.

De brugte Stampede og Lonestar supercomputere på Texas Advanced Computing Center, samt systemer på ROMEO Computing Center ved Universitetet i Reims Champagne-Ardenne og San Diego Supercomputing Center (gennem Extreme Science and Engineering Discovery Environment) til at udføre store virtuelle eksperimenter med lyspåvirkede vesikler.

"Mange mennesker laver nanopartikler og observerer dem ved hjælp af elektronmikroskopi, " sagde Qin. "Men beregningerne giver os en unik vinkel på problemet. De giver en forbedret forståelse af de grundlæggende interaktioner og indsigt, så vi bedre kan designe disse partikler til specifikke applikationer."

Slående biomedicinsk guld

Guld nanopartikler er et lovende eksempel på et plasmonisk nanomateriale. I modsætning til normale stoffer, plasmoniske nanopartikler (typisk lavet af ædelmetaller) har usædvanlig spredning, absorbans, og koblingsegenskaber på grund af deres geometrier og elektromagnetiske egenskaber. En konsekvens af dette er, at de interagerer stærkt med lys og kan opvarmes af synligt og ultraviolet lys, selv på afstand, fører til strukturelle ændringer i partiklerne, fra smeltning til ekspansion til fragmentering.

Guld nanopartikel-coatede liposomer - sfæriske sække, der omslutter en vandig kerne, der kan bruges til at transportere lægemidler eller andre stoffer ind i vævene - er blevet påvist som lovende midler til lys-induceret indholdsfrigivelse. Men disse nanopartikler skal være i stand til at rense kroppen gennem nyresystemet, hvilket begrænser størrelsen af ​​nanopartiklerne til mindre end få nanometer.

Den specifikke form af nanopartikler - f.eks. hvor tæt de enkelte guldmolekyler er, hvor stor kernen er, og størrelsen, form, tæthed og overfladeforhold af nanopartikler - bestemmer hvordan, og hvor godt, nanopartiklernes funktioner og hvordan den kan manipuleres.

Qin har i de seneste år rettet sin opmærksomhed mod dynamikken i klynger af små guldnanopartikler med liposomkerner, og deres anvendelser inden for både diagnostiske og terapeutiske områder.

"Hvis vi sætter nanopartiklerne omkring en nano-vesikel, vi kan bruge laserlys til at åbne vesiklen og frigive molekyler af interesse, " forklarede han. "Vi har evnen til at samle et andet antal partikler omkring en vesikel ved at belægge vesiklen i et lag af meget små partikler. Hvordan kan vi designe denne struktur? Det er et ret interessant og komplekst problem. Hvordan interagerer nanopartiklerne med hinanden - hvor langt er de fra hinanden, hvor mange er der?"

Simuleringer giver grundlæggende og praktisk indsigt

For at få indsigt i, hvordan plasmoniske nanopartikler fungerer, og hvordan de kan designes optimalt, Qin og kolleger bruger computersimulering ud over laboratorieforsøg.

I deres nylige undersøgelse, Qin og hans team simulerede forskellige liposomkernestørrelser, guld nanopartikelbelægningsstørrelser, en bred vifte af belægningstætheder, og tilfældige kontra ensartede belægningsorganisationer. Belægningerne omfatter flere hundrede individuelle guldpartikler, som opfører sig kollektivt.

"Det er meget enkelt at simulere en partikel. Du kan gøre det på en almindelig computer, men vi er en af ​​de første til at se på en kompleks vesikel, " sagde Randrianalisoa. "Det er virkelig spændende at observere, hvordan aggregater af nanopartikler, der omgiver lipidkernen, kollektivt modificerer systemets optiske respons."

Holdet brugte beregningsmetoden med diskret dipol tilnærmelse (DDA) til at lave forudsigelser om de optiske absorptionsegenskaber i de guldbelagte liposomsystemer. DDA gør det muligt at beregne spredningen af ​​stråling med partikler af vilkårlig form og organisation. Metoden har den fordel, at den giver teamet mulighed for at designe nye komplekse former og strukturer og at bestemme kvantitativt, hvad deres optiske absorptionsegenskaber vil være.

Forskerne fandt ud af, at guldnanopartiklerne, der udgør den ydre overflade, skal være tilstrækkelig tæt på hinanden, eller endda overlappende, at absorbere tilstrækkeligt lys til, at leveringssystemet er effektivt. De identificerede en intermediær række af optiske tilstande kaldet "sorte guld-regimet, "hvor de tætpakkede guld-nanopartikler reagerer på lys i alle bølgelængder, hvilket kan være yderst nyttigt til en række applikationer.

"Vi vil gerne udvikle partikler, der interagerer med lys i det nær-infrarøde område - med bølgelængder på omkring 700 til 900 nanometer - så de har en dybere penetration ind i vævet, " Qin forklarede.

De forventer, at denne undersøgelse vil give designretningslinjer for nanoingeniører og vil have en betydelig indvirkning på den videre udvikling af komplekse plasmoniske nanostrukturer og vesikler til biomedicinske applikationer.

(I en separat undersøgelse offentliggjort i ACS Sensors i oktober 2017, Qin og samarbejdspartnere viste effektiviteten af ​​guldnanopartikler til analyser, der påviser infektionssygdomme og andre biologiske og kemiske mål.)

Inspireret af den seneste udvikling inden for optogenetik, som bruger lys til at kontrollere celler (typisk neuroner) i levende væv, Qin og hans team planlægger at bruge teknologien til at udvikle et alsidigt optisk udløst system til at udføre realtidsstudier af hjerneaktivitet og adfærd.

Han håber, at den nye tekniks hurtige udgivelsesfunktion vil give tilstrækkelig hastighed til at studere neuronal kommunikation i neurovidenskabelig forskning.

"Der er mange muligheder for at bruge beregninger til at forstå fundamentale interaktioner og mekanismer, som vi ikke kan måle, " sagde Qin. "Det kan føre tilbage til vores eksperimentelle forskning, så vi bedre kan fremme disse forskellige teknikker for at hjælpe mennesker."