Kvanteprikker, der lyser tv'er op, kunne bruges til hjerneforskning

Mens mange mennesker elsker farverige billeder af landskaber, blomster eller regnbuer, nogle biomedicinske forskere værdsætter levende billeder i en meget mindre skala - så lille som en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår.

At studere mikroverdenen og hjælpe med at fremme medicinsk viden og behandlinger, disse videnskabsmænd bruger fluorescerende partikler i nanostørrelse.

Kvanteprikker er én type nanopartikel, mere almindeligt kendt for deres brug i tv-skærme. De er super bittesmå krystaller, der kan transportere elektroner. Når UV-lys rammer disse halvledende partikler, de kan udsende lys i forskellige farver.

Denne fluorescens gør det muligt for videnskabsmænd at bruge dem til at studere skjulte eller på anden måde kryptiske dele af celler, organer og andre strukturer.

Jeg er en del af en gruppe af forskere i nanoteknologi og neurovidenskab ved University of Washington, der undersøger, hvordan kvanteprikker opfører sig i hjernen.

Almindelige hjernesygdomme anslås at koste USA næsten 800 milliarder USD årligt. Disse sygdomme – inklusive Alzheimers sygdom og neuroudviklingsforstyrrelser – er svære at diagnosticere eller behandle.

Nanoskala værktøjer, såsom kvanteprikker, der kan indfange nuancen i komplicerede celleaktiviteter lover som hjernebilledværktøjer eller lægemiddelleveringsbærere til hjernen. Men fordi der er mange grunde til at være bekymret over deres brug i medicin, hovedsageligt relateret til sundhed og sikkerhed, det er vigtigt at finde ud af mere om, hvordan de fungerer i biologiske systemer.

Kvanteprikker som næste generations farvestoffer

Forskere opdagede første gang kvanteprikker i 1980'erne. Disse bittesmå partikler er forskellige fra andre krystaller ved, at de kan producere forskellige farver afhængigt af deres størrelse. De er så små, at de nogle gange kaldes nuldimensionelle eller kunstige atomer.

Den mest almindeligt kendte brug af kvanteprikker i dag kan være tv-skærme. Samsung lancerede deres QLED TV i 2015, og et par andre virksomheder fulgte ikke længe efter. Men videnskabsmænd har kigget på kvanteprikker i næsten et årti. På grund af deres unikke optiske egenskaber kan de producere tusindvis af lysstyrke, skarpe fluorescerende farver - videnskabsmænd begyndte at bruge dem som optiske sensorer eller billeddannende prober, især inden for medicinsk forskning.

Forskere har længe brugt forskellige farvestoffer til at mærke celler, organer og andet væv for at se kroppens indre funktioner, hvad enten det er til diagnose eller grundforskning.

De mest almindelige farvestoffer har nogle betydelige problemer. For en, deres farve kan ofte ikke overleve ret længe i celler eller væv. De kan falme i løbet af få sekunder eller minutter. For nogle typer forskning, såsom sporing af celleadfærd eller levering af stoffer i kroppen, disse organiske farvestoffer holder simpelthen ikke længe nok.

Kvanteprikker ville løse disse problemer. De er meget lyse og falmer meget langsomt. Deres farve kan stadig skille sig ud efter en måned. I øvrigt, de er for små til fysisk at påvirke bevægelsen af ​​celler eller molekyler.

Disse egenskaber gør kvanteprikker populære i medicinsk forskning. I dag bruges kvanteprikker hovedsageligt til højopløsnings 3-D billeddannelse af celler eller molekyler, eller sporingsprober i realtid i eller uden for dyrekroppe, der kan holde i en længere periode.

Men deres brug er stadig begrænset til dyreforskning, fordi videnskabsmænd er bekymrede over deres brug hos mennesker. Kvanteprikker indeholder almindeligvis cadmium, et tungmetal, der er meget giftigt og kræftfremkaldende. De kan lække det giftige metal eller danne et ustabilt aggregat, forårsager celledød og betændelse. Nogle organer kan tåle en lille mængde af dette, men hjernen kan ikke modstå en sådan skade.

Hvordan kvanteprikker opfører sig i hjernen

Mine kolleger og jeg mener, at et vigtigt første skridt mod bredere brug af kvanteprikker i medicin er at forstå, hvordan de opfører sig i biologiske miljøer. Det kunne hjælpe videnskabsmænd med at designe kvanteprikker, der er egnede til medicinsk forskning og diagnostik:Når de sprøjtes ind i kroppen, de skal forblive små partikler, være ikke særlig giftig og i stand til at målrette bestemte typer celler.

Vi så på stabiliteten, toksicitet og cellulære interaktioner af kvanteprikker i de udviklende hjerner hos rotter. Vi pakkede de små kvanteprikker ind i forskellige kemiske "frakker". Forskere mener, at disse frakker, med deres forskellige kemiske egenskaber, kontrollere den måde, kvanteprikker interagerer med det biologiske miljø, der omgiver dem. Derefter evaluerede vi, hvordan kvanteprikker fungerede i tre almindeligt anvendte hjernerelaterede modeller:cellekulturer, rottehjerneskiver og individuelle levende rotter.

Vi fandt ud af, at forskellige kemiske belægninger giver kvanteprikker forskellig adfærd. Kvanteprikker med en polymerbelægning af polyethylenglycol (PEG) var de mest lovende. De er mere stabile og mindre giftige i rottehjernen, og ved en bestemt dosis dræber ikke celler. Det viser sig, at PEG-belagte kvanteprikker aktiverer en biologisk vej, der øger produktionen af ​​et molekyle, der afgifter metal. Det er en beskyttende mekanisme indlejret i cellerne, der tilfældigvis afværger skader fra kvanteprikker.

Kvanteprikker "spises" også af mikroglia, hjernens indre immunceller. Disse celler regulerer inflammation i hjernen og er involveret i flere hjernesygdomme. Kvanteprikker transporteres derefter til mikrogliaens lysosomer, cellens skraldespande, for nedbrydning.

Men vi opdagede også, at kvanteprikkernes adfærd varierer lidt mellem cellekulturer, hjerneskiver og levende dyr. De forenklede modeller kan vise, hvordan en del af hjernen reagerer, men de er ikke en erstatning for hele orgelet.

For eksempel, cellekulturer indeholder hjerneceller, men mangler de forbundne cellulære netværk, som væv har. Hjerneskiver har mere struktur end cellekulturer, men de mangler også hele organets blod-hjerne-barriere - dens "store mur", der forhindrer fremmedlegemer i at trænge ind.

Hvad er fremtiden for kvanteprikker?

Vores resultater giver en advarsel:Nanomedicinsk forskning i hjernen giver ingen mening uden nøje at overveje organets kompleksitet.

Det sagt, vi tror, ​​at vores resultater kan hjælpe forskere med at designe kvanteprikker, der er mere egnede til brug i levende hjerner. For eksempel, vores forskning viser, at PEG-belagte kvanteprikker forbliver stabile og relativt ikke-toksiske i levende hjernevæv, samtidig med at de har stor billeddannelsesydelse. Vi forestiller os, at de kan bruges til at spore bevægelser i realtid af vira eller celler i hjernen.

I fremtiden, sammen med MR- eller CT-scanninger, kvanteprikker kan blive vitale billedværktøjer. De kan også bruges som sporbare bærere, der leverer lægemidler til specifikke celler. Ultimativt, selvom, for kvanteprikker at realisere deres biomedicinske potentiale ud over forskning, videnskabsmænd skal tage fat på sundheds- og sikkerhedsproblemer.

Selvom der er lang vej igen, mine kolleger og jeg håber, at fremtiden for kvanteprikker kan være lige så lys og farverig som de kunstige atomer selv.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.