Een lang gezocht doel om deeltjes te creëren die een kleurrijke fluorescerende gloed kunnen afgeven in een biologische omgeving, en dat kan precies worden gemanipuleerd in positie binnen levende cellen, is bereikt door een team van onderzoekers van het MIT en verschillende andere instellingen. De bevinding wordt deze week gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De nieuwe technologie zou het mogelijk kunnen maken om de positie van de nanodeeltjes te volgen terwijl ze in het lichaam of in een cel bewegen. Tegelijkertijd, de nanodeeltjes konden precies worden gemanipuleerd door een magnetisch veld aan te leggen om ze mee te trekken. En tenslotte, de deeltjes kunnen een coating hebben van een bioreactieve stof die bepaalde moleculen in het lichaam kan opzoeken en binden, zoals markers voor tumorcellen of andere ziekteverwekkers.

"Het is al jaren een droom van mij om een ​​nanomateriaal te hebben dat zowel fluorescentie als magnetisme in een enkel compact object verwerkt, " zegt Moungi Bawendi, de Lester Wolfe Professor of Chemistry aan het MIT en senior auteur van het nieuwe artikel. Terwijl andere groepen een combinatie van deze twee eigenschappen hebben bereikt, Bawendi zegt dat hij "nooit erg tevreden was" met resultaten die eerder door zijn eigen team of anderen werden behaald.

Voor een ding, hij zegt, dergelijke deeltjes waren te groot om praktische sondes van levend weefsel te maken:"Ze hadden de neiging om veel verspild volume te hebben, " zegt Bawendi. "Compactheid is van cruciaal belang voor biologische en veel andere toepassingen."

In aanvulling, eerdere pogingen waren niet in staat om deeltjes van uniforme en voorspelbare grootte te produceren, wat ook een essentiële eigenschap zou kunnen zijn voor diagnostische of therapeutische toepassingen.

Bovendien, Bawendi zegt, "We wilden deze structuren in de cellen kunnen manipuleren met magnetische velden, maar ook precies weten wat we verplaatsen." Al deze doelen worden bereikt door de nieuwe nanodeeltjes, die met grote precisie kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van de golflengte van hun fluorescerende emissies.

De nieuwe methode levert de combinatie van gewenste eigenschappen "in een zo klein mogelijke verpakking, " zegt Bawendi - wat zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor deeltjes met andere nuttige eigenschappen, zoals het vermogen om te binden aan een specifiek type bioreceptor, of een ander interessant molecuul.

In de techniek ontwikkeld door Bawendi's team, onder leiding van hoofdauteur en postdoc Ou Chen, de nanodeeltjes kristalliseren zodanig dat ze zichzelf assembleren op precies de manier die tot het meest bruikbare resultaat leidt:de magnetische deeltjes clusteren in het midden, terwijl fluorescerende deeltjes er een uniforme laag omheen vormen. Dat plaatst de fluorescerende moleculen op de meest zichtbare locatie om de nanodeeltjes optisch door een microscoop te kunnen volgen.

"Dit zijn prachtige bouwwerken, ze zijn zo schoon, zegt Bawendi. Die uniformiteit ontstaat, gedeeltelijk, omdat het uitgangsmateriaal fluorescerende nanodeeltjes die Bawendi en zijn groep al jaren perfectioneren, zijn zelf perfect uniform in grootte. "Je moet heel uniform materiaal gebruiken om zo'n uniforme constructie te maken, "zegt Chen.

aanvankelijk, minstens, de deeltjes kunnen worden gebruikt om fundamentele biologische functies in cellen te onderzoeken, stelt Bawendi voor. Naarmate het werk vordert, latere experimenten kunnen extra materialen toevoegen aan de coating van de deeltjes, zodat ze op specifieke manieren interageren met moleculen of structuren in de cel, hetzij voor diagnose of behandeling.

Het vermogen om de deeltjes met elektromagneten te manipuleren is de sleutel tot het gebruik ervan in biologisch onderzoek, Bawendi legt uit:De kleine deeltjes zouden anders verloren kunnen gaan in de wirwar van moleculen die in een cel circuleren. "Zonder een magnetische 'handgreep, ' het is als een speld in een hooiberg, "zegt hij. "Maar met het magnetisme, je kunt het gemakkelijk vinden."

Een silicacoating op de deeltjes zorgt ervoor dat extra moleculen zich kunnen hechten, waardoor de deeltjes binden met specifieke structuren in de cel. "Silicium maakt het volledig flexibel; het is een goed ontwikkeld materiaal dat zich aan bijna alles kan binden, ' zegt Bawendi.

Bijvoorbeeld, de coating zou een molecuul kunnen hebben dat bindt aan een specifiek type tumorcellen; dan, "Je zou ze kunnen gebruiken om het contrast van een MRI te verbeteren, zodat je de ruimtelijke macroscopische contouren van een tumor kon zien, " hij zegt.

De volgende stap voor het team is het testen van de nieuwe nanodeeltjes in verschillende biologische omgevingen. "We hebben het materiaal gemaakt, " zegt Chen. "Nu moeten we het gebruiken, en we werken samen met een aantal groepen over de hele wereld voor een verscheidenheid aan toepassingen."

Christoffel Murray, een professor in de chemie en materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Pennsylvania die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, "Dit werk illustreert de kracht van het gebruik van nanokristallen als bouwstenen voor meerschalige en multifunctionele structuren. We gebruiken vaak de term 'kunstmatige atomen' in de gemeenschap om te beschrijven hoe we een nieuw periodiek systeem van fundamentele bouwstenen gebruiken om materialen te ontwerpen, en dit is een zeer elegant voorbeeld."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.