Hoewel veel mensen dol zijn op kleurrijke foto's van landschappen, bloemen of regenbogen, sommige biomedische onderzoekers koesteren levendige beelden op een veel kleinere schaal - zo klein als een duizendste van de breedte van een mensenhaar.

Om de microwereld te bestuderen en medische kennis en behandelingen te helpen bevorderen, deze wetenschappers gebruiken fluorescerende nanodeeltjes.

Quantum dots zijn een type nanodeeltje, beter bekend om hun gebruik in tv-schermen. Het zijn superkleine kristallen die elektronen kunnen transporteren. Wanneer UV-licht deze halfgeleidende deeltjes raakt, ze kunnen licht van verschillende kleuren uitstralen.

Die fluorescentie stelt wetenschappers in staat ze te gebruiken om verborgen of anderszins cryptische delen van cellen te bestuderen, organen en andere structuren.

Ik maak deel uit van een groep nanotechnologie- en neurowetenschappelijke onderzoekers van de Universiteit van Washington die onderzoekt hoe kwantumstippen zich in de hersenen gedragen.

Veelvoorkomende hersenziekten kosten de VS naar schatting bijna 800 miljard dollar per jaar. Deze ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer en neurologische ontwikkelingsstoornissen, zijn moeilijk te diagnosticeren of te behandelen.

Nanoschaal tools, zoals kwantumdots, die de nuance in gecompliceerde celactiviteiten kunnen vastleggen, zijn veelbelovend als hulpmiddelen voor hersenbeeldvorming of dragers voor medicijnafgifte voor de hersenen. Maar omdat er veel redenen zijn om bezorgd te zijn over het gebruik ervan in de geneeskunde, voornamelijk gerelateerd aan gezondheid en veiligheid, het is belangrijk om meer te weten te komen over hoe ze werken in biologische systemen.

Quantum dots als kleurstoffen van de volgende generatie

Onderzoekers ontdekten voor het eerst kwantumstippen in de jaren tachtig. Deze kleine deeltjes verschillen van andere kristallen doordat ze verschillende kleuren kunnen produceren, afhankelijk van hun grootte. Ze zijn zo klein dat ze soms nuldimensionale of kunstmatige atomen worden genoemd.

Het meest bekende gebruik van quantum dots zijn tegenwoordig misschien wel tv-schermen. Samsung lanceerde hun QLED-tv's in 2015 en niet lang daarna volgden een paar andere bedrijven. Maar wetenschappers kijken al bijna tien jaar naar kwantumstippen. Vanwege hun unieke optische eigenschappen kunnen ze duizenden heldere, scherpe fluorescerende kleuren - wetenschappers begonnen ze te gebruiken als optische sensoren of beeldsondes, vooral in medisch onderzoek.

Wetenschappers gebruiken al lang verschillende kleurstoffen om cellen te labelen, organen en andere weefsels om de innerlijke werking van het lichaam te bekijken, of dat nu voor diagnose of voor fundamenteel onderzoek is.

De meest voorkomende kleurstoffen hebben een aantal belangrijke problemen. Voor een, hun kleur kan vaak niet erg lang overleven in cellen of weefsels. Ze kunnen binnen enkele seconden of minuten vervagen. Voor sommige soorten onderzoek zoals het volgen van celgedrag of het afgeven van medicijnen in het lichaam, deze organische kleurstoffen gaan gewoon niet lang genoeg mee.

Quantum dots zouden die problemen oplossen. Ze zijn erg helder en vervagen erg langzaam. Hun kleur kan na een maand nog opvallen. Bovendien, ze zijn te klein om de beweging van cellen of moleculen fysiek te beïnvloeden.

Die eigenschappen maken quantum dots populair in medisch onderzoek. Tegenwoordig worden kwantumdots voornamelijk gebruikt voor 3D-beeldvorming met hoge resolutie van cellen of moleculen, of real-time volgsondes binnen of buiten dierlijke lichamen die een langere periode kunnen duren.

Maar het gebruik ervan is nog steeds beperkt tot dierproeven, omdat wetenschappers zich zorgen maken over het gebruik ervan bij mensen. Quantum dots bevatten gewoonlijk cadmium, een zwaar metaal dat zeer giftig en kankerverwekkend is. Ze kunnen het giftige metaal lekken of een onstabiel aggregaat vormen, celdood en ontsteking veroorzaken. Sommige organen kunnen een kleine hoeveelheid hiervan verdragen, maar de hersenen kunnen zo'n verwonding niet weerstaan.

Hoe kwantumstippen zich in de hersenen gedragen

Mijn collega's en ik geloven dat een belangrijke eerste stap naar een breder gebruik van kwantumstippen in de geneeskunde, is te begrijpen hoe ze zich gedragen in biologische omgevingen. Dat zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van kwantumstippen die geschikt zijn voor medisch onderzoek en diagnostiek:wanneer ze in het lichaam worden geïnjecteerd, ze moeten kleine deeltjes blijven, niet erg toxisch zijn en zich kunnen richten op specifieke soorten cellen.

We keken naar de stabiliteit, toxiciteit en cellulaire interacties van kwantumstippen in de zich ontwikkelende hersenen van ratten. We wikkelden de kleine kwantumstippen in verschillende chemische 'jassen'. Wetenschappers geloven dat deze jassen, met hun verschillende chemische eigenschappen, controle over de manier waarop kwantumstippen interageren met de biologische omgeving die hen omringt. Vervolgens evalueerden we hoe quantum dots presteerden in drie veelgebruikte hersengerelateerde modellen:celculturen, plakjes rattenhersenen en individuele levende ratten.

We ontdekten dat verschillende chemische coatings kwantumstippen verschillend gedrag geven. Quantum dots met een polymeerlaag van polyethyleenglycol (PEG) waren het meest veelbelovend. Ze zijn stabieler en minder toxisch in de hersenen van de rat, en bij een bepaalde dosis geen cellen doden. Het blijkt dat met PEG gecoate kwantumstippen een biologische route activeren die de productie van een molecuul dat metaal ontgift, opvoert. Het is een beschermend mechanisme ingebed in de cellen dat toevallig letsel door kwantumstippen afweert.

Quantum dots worden ook "opgegeten" door microglia, de innerlijke immuuncellen van de hersenen. Deze cellen reguleren ontstekingen in de hersenen en zijn betrokken bij meerdere hersenaandoeningen. Quantum dots worden vervolgens getransporteerd naar de lysosomen van de microglia, de vuilnisbakken van de cel, voor degradatie.

Maar we ontdekten ook dat het gedrag van kwantumstippen enigszins varieert tussen celculturen, hersenschijfjes en levende dieren. De vereenvoudigde modellen kunnen aantonen hoe een deel van de hersenen reageert, maar ze zijn geen vervanging voor het hele orgel.

Bijvoorbeeld, celculturen bevatten hersencellen, maar missen de verbonden cellulaire netwerken die weefsels hebben. Hersenschijfjes hebben meer structuur dan celculturen, maar ze missen ook de bloed-hersenbarrière van het volledige orgaan - de "Grote Muur" die voorkomt dat vreemde voorwerpen binnenkomen.

Wat is de toekomst voor kwantumstippen?

Onze resultaten bieden een waarschuwing:Nanomedicijnonderzoek in de hersenen heeft geen zin zonder de complexiteit van het orgaan zorgvuldig te overwegen.

Dat gezegd hebbende, we denken dat onze bevindingen onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van kwantumstippen die meer geschikt zijn voor gebruik in levende hersenen. Bijvoorbeeld, ons onderzoek toont aan dat kwantumstippen met PEG-coating stabiel en relatief niet-toxisch blijven in levend hersenweefsel, terwijl ze uitstekende beeldprestaties leveren. We stellen ons voor dat ze kunnen worden gebruikt om realtime bewegingen van virussen of cellen in de hersenen te volgen.

In de toekomst, samen met MRI- of CT-scans, kwantumstippen kunnen vitale beeldvormingshulpmiddelen worden. Ze kunnen ook worden gebruikt als traceerbare dragers die medicijnen aan specifieke cellen leveren. uiteindelijk, Hoewel, voor kwantumstippen om hun biomedische potentieel te realiseren dat verder gaat dan onderzoek, wetenschappers moeten gezondheids- en veiligheidsproblemen aanpakken.

Hoewel er nog een lange weg te gaan is, mijn collega's en ik hopen dat de toekomst voor kwantumstippen net zo helder en kleurrijk zal zijn als de kunstmatige atomen zelf.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.