ВЫПУСК 98

Новый сверхчувствительный метод визуализации с использованием наночастиц

Результаты нового исследования демонстрируют, что экспериментальный сверхчувствительный метод медицинской визуализации, использующий импульсный лазер и мельчайшие металлические наноклетки (nanocages), может сделать возможной как раннюю диагностику, так и лечение рака.

Система работает методом просвечивания кожи лазерными импульсами ближней ИК-области, обнаруживая при этом полые наноклетки и твердые наночастицы из сплава золота и серебра, введенные в кровь.

В отличие от более ранних подходов, использующих мельчайшие металлические наностержни и наносферы, новый метод не вызывает теплового повреждения тканей, возникающего в процессе визуализации. «Еще одним преимуществом является то, что при нем не образуется фонового автофлуоресцентного свечения окружающих тканей, которое негативно сказывается на изображении и уменьшает контрастность и яркость», - говорит адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии и химии Университета Пердью (Purdue University) Джи-Шин Чень (Ji-Xin Cheng).

«Отсутствие фоновой флуоресценции делает изображения гораздо более отчетливым, а это очень важно для диагностики заболевания», - говорит он. «Это позволяет нам четко различать наноклетки и ткани».

Усовершенствованный метод делает возможным более раннее обнаружение и лечение рака. Мельчайшие наноклетки из сплава золота и серебра могут быть использованы и для доставки в пораженные ткани выделяемых в нужное время противораковых препаратов, считает Юнан Ся (Younan Xia), профессор факультета биомедицинской инженерии (Department of Biomedical Engineering) Вашингтонского университета (Washington University) в Сент-Луисе. Его группа разработала наноклетки и наночастицы, используемые в данном исследовании.

Структуры из золота и серебра дают изображения в 10 раз более яркие, чем экспериментальные методы, использующие наносферы и наностержни. Метод обеспечивает в сотни раз более высокие яркость и контрастность, чем при применении обычных флуоресцентных красителей, используемых для широкого круга биологических исследований, требующих визуализации внутриклеточных событий и молекул.

Результаты работы детально описаны в статье, опубликованной в международном издании журнала Angewandte Chemie.

Новый подход использует явление, известное как «трехфотонная люминесценция», которое обеспечивает более контрастные и яркие изображения, чем обычные методы флуоресцентной визуализации. Но, как правило, трехфотонная люминесценция остается слишком тусклой, чтобы использоваться для работы с изображениями. Однако присутствие золотых и серебряных наночастиц усиливает яркость, преодолевая это препятствие. Считается, что сверхбыстрый лазер также играет определенную роль, вызывая генерацию третьей гармоники, увеличивающей яркость.

В предыдущих исследованиях по разработке систем визуализации использовались плазмоны, или облака движущихся в унисон электронов, увеличивающих яркость и контрактность. Однако использование плазмонов приводит к повреждающему ткани нагреванию. Новый метод не использует плазмонное усиление, что позволяет избежать подобного нагревания, утверждает Чень.

Трехфотонный эффект может позволить ученым разработать усовершенствованные нелинейные оптические методы, обеспечивающие больший контраст, чем обычные технологии.

«Возможности, предоставляемые нам трехфотонной визуализацией, позволят объединить визуализацию и терапию, улучшая диагностику и мониторинг», - говорит Ся.

Ученые использовали лазер ближней ИК-области спектра, с интервалов пульсации в несколько фемтосекунд, или несколько квадрильонных долей секунды. Для освещения тканей и органов после введения в них наноклеток лазер генерирует 80 миллионов импульсов в секунду.

Наноклетки и наночастицы имеют размер около 40 нанометров, что примерно в 100 раз меньше размера эритроцита.

При разработке метода ученые внутривенно вводили наноклетки мышам и затем получали изображения мельчайших структур в тканевых образцах из печени и селезенки.

Оригинал статьи

Ultrasensitive imaging method uses gold-silver 'nanocages'

Наноалмазы и развитие методов биовизуализации

Группа ученых, руководимая адъюнкт-профессором Университета Макквори (Macquarie University) Джеймсом Рабо (James Rabeau), открыла, что свойства света, излучаемого мельчайшими изолированными наноалмазами, полностью отличаются от свойств света от более крупных частиц.

Открытие может привести к дальнейшему развитию более точных методов биовизуализации, используемой для диагностики и отслеживания сложных биологических процессов.

Исследование, проведенное группой, включавшей ученых из Университета Макквори, Австралийского национального университета (Australian National University - ANU), Организации научно-технических исследований стран Содружества (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization - CSIRO) и Университета Квинсленда (University of Queensland), опубликовано в престижном международном журнале Nature Nanotechnology.

«Впервые ученые смогли визуализировать отдельный мерцающий световой сигнал, излучаемый отдельным изолированным наноалмазом», - комментирует Рабо.

«Мы обнаружили, что свет таких наноалмазов значительно отличаются от света, излучаемого крупными алмазами, и это важная информация о том, как свет меняется в зависимости от размера кристалла», - говорит он.

«В более крупных алмазах световая эмиссия, или флуоресценция, как известно, остается стабильной и не проявляет свойств мерцания. Но мы обнаружили, что атомы, находящиеся в наноалмазе, который значительно меньше, начинают вести себя немного по-другому».

Рабо и его группа также продемонстрировали, что иррегулярной флуоресценции можно избежать инкапсуляцией алмазов в полимерную оболочку.

Рабо считает, что это большой шаг в развитии существующих идей по использованию наноалмазов для биовизуализации, который действительно может привести к новым технологиям, использующим оптическое свойство мерцания. При связывании с биологической молекулой, такой как белок, свет, излучаемый наноалмазом, может позволить ученым более точно отследить местоположение и передвижение биомолекулы в организме.

Белки сами по себе являются практически невидимыми, но при соединении их с яркими зондами, такими как наноалмазы, вполне можно увидеть, где они находятся и куда направляются. Для биомедицинской визуализации существующие технологии используют другие типы флуоресцентных зондов, но они часто исчезают или тускнеют, а иногда и являются токсичными для организма, объясняет Рабо.

Мельчайшие синтетические алмазы имеют размер около 5 нанометров и более чем в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Рабо и его группа, так же как и многие другие научно-исследовательские группы по всему миру, считают, что наноалмазы имеют большой потенциал для эффективного использования в биологическом микроокружении в качестве нетоксичных и стабильных люминесцентных зондов. Производство таких алмазов, флуоресцирующих и одновременно являющихся достаточно маленькими, чтобы не вмешиваться в биологические процессы, является крупным шагом к практической биомедицинской визуализации с использованием наноалмазов.

Оригинал статьи

Tiny diamond sparklers may hold the key to big advances in biomedical imaging technology

В лабораториях ученых

Опухоль: «заморить голодом»

О том, что раковые клетки вырабатывают энергию не так, как это делают нормальные, ученые знают с 20-х годов ХХ века. Этот феномен назван «эффектом Варбурга» (Warburg effect) по имени ученого, описавшего его первым – немецкого биохимика Отто Варбурга. Однако метаболизм раковых клеток в значительной степени перестал быть областью исследований с 70-х годов, когда ученые вплотную занялись исследованием вновь открытых генов, вызывающих рак.

Теперь новое поколение исследователей уделяет внимание странному и, казалось бы, неэффективному метаболизму раковых клеток, который тесно связан с большинством генов, участвующих в развитии рака.

Недавние открытия позволяют предположить, что раковые клетки генетически перепрограммируют свои пути выработки энергии для создания строительных блоков, необходимых им для бесконтрольного роста и размножения, растрачивая большую часть энергии на этот процесс. «Потенциальные лекарства, блокирующие этот путь, могут стать новым средством для лечения целого ряда раковых заболеваний», - считает Мэтью Вандер Хайден (Matthew Vander Heiden), адъюнкт-профессор биологии и сотрудник Научно-исследовательского института рака Дэвида Коха (David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research) Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology).

«Всем опухолям приходится смещать метаболизм по мере их пролиферации», - говорит Вандер Хайден. «Если мы сможем помешать этому, у нас есть шанс изменить ситуацию во многих типах опухолей».

Вандер Хайден занимается изучением одного из ключевых ферментов, задействованного в метаболических путях раковых клеток, известного как пируваткиназа М2, имея ввиду разработку лекарственных препаратов, способных изменить его активность и эффективно «заморить голодом» раковые клетки, лишив их необходимых для роста и размножения веществ.

В качестве источника энергии клетки человеческого организма используют сахара, разрушая их в ходе серии сложных химических реакций, требующих кислорода. Варбург открыл, что опухолевые клетки переключаются на менее эффективную метаболическую стратегию, известную как брожение, для которой не требуется кислород, но вырабатывающую гораздо меньше энергии.

Неэффективно сжигая топливо, раковые клетки потребляют гораздо больше глюкозы, чем обычные. Ученые используют этот факт для позитронно-эмиссионного (PET) сканирования, отслеживающего метаболизм глюкозы как диагностического инструмента для выявления начала процесса распространения опухоли.

После открытия Варбурга ученые в течение несколько десятилетий, с 30-х до 90-х годов ХХ века, пытались выяснить биохимию метаболизма рака. Но в 70-х годах открытие генов, вызывающих рак (онкогенов), и генов, подавляющих его развитие, привело к «осознанию того, что рак – генетическое, а не метаболическое заболевание, такие как диабет или ожирение», говорит Льюис Кэнтли (Lewis Cantley), профессор системной биологии Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School).

Однако интерес к метаболизму раковых клеток увеличивался, особенно в последние несколько лет, по мере накопления доказательств того, что многие из онкогенов играют роль в его переключении. «Мир ученых, занимающихся исследованием рака, полон исследователей, изучающих ген Ras (способный вызвать рак в случае возникновения в нем мутации), ген р53 (супрессор рака) и все эти различные сигнальные и генетические явления», - говорит Вандер Хайден. «Все они, так или иначе, связаны с метаболизмом».

Возрождение исследований в области метаболизма рака постепенно началось в 1990-х годах, когда Вандер Хайден был аспирантом в Университете Чикаго (University of Chicago). Здесь он работал с Крейгом Томпсоном (Craig Thompson), одним из пионеров возрожденной области. Скоро Вандер Хайден понял, что «существует много такого, чего мы не понимаем о метаболизме, о котором как будто бы забыли».

После получения степени доктора философии и медицины Вандер Хайден уехал в лабораторию Кэнтли в Гарварде, где он изучал пируваткиназу М2 (ПКМ2), контролирующую ключевое звено в процессе брожения. В 2008 году Вандер Хайден, Кэнтли и другие ученые из Гарвардской медицинской школы сообщили в журнале Nature, что, когда метаболизм клеток смещается от нормального к «варбургскому», они начинают использовать ПКМ2 вместо пируваткиназы М1, фермента, который большинство взрослых клеток используют в процессе гликолиза (первого этапа расщепления глюкозы при получении энергии).

Большим преимуществом потенциальных лекарственных препаратов, интерферирующих с ПКМ2, является то, что фермент не обнаружен в нормальных взрослых клетках, что может устранить побочные эффекты, свойственные существующим противораковым препаратам, считает Селесте Саймон (Celeste Simon), профессор клеточной и эволюционной биологии Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania).

«Большой проблемой в онкологии нескольких последних десятилетий является то, что подавляющее количество препаратов, к несчастью, имеют побочные эффекты, что ограничивает назначаемые пациентам дозы и оказывает отрицательное влияние на качество жизни», - говорит Саймон.

Компания, одним из основателей которой является Кэнтли, сейчас разрабатывает лекарственный препарат, предназначенный для воздействия на ПКМ2. (Вандер Хайден – научный консультант компании Agios Pharmaceuticals).

Однако ПКМ2 не единственная возможная мишень для лекарственных препаратов, считает Кэнтли. «Многие находят метаболические ферменты привлекательной моделью для лекарственной терапии, так как их очень много», - говорит он.

Оригинал статьи

To starve a tumor

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии»