Квантовые точки помогают диагностировать рак

В последнее время в наноэлектронике и микросистемной технике появилось много продуктов с использованием квантовых наносистем. Как оказалось, квантовые точки могут не менее широко использоваться и в медицине.

Квантовые точки - это наночастицы полупроводников (селенид кадмия, например), ведущие себя как отдельные атомы. Они могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и выделять свет при переходе электронов на низкоэнергетический уровень. Благодаря этому свойству их и используют в качестве флуоресцентных меток. Обычно размеры квантовых точек измеряются десятками нанометров.
Квантовые точки и области их применения

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Самыми первыми квантовыми точками были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трехмерной потенциальной яме - он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки).

Полупроводниковые квантовые точки уже давно зарекомендовали себя в микро- и наноэлектронике. На их основе могут вскоре появиться сверхчеткие цветные дисплеи нового типа, приборы ночного видения высокого разрешения, быстродействующие процессоры и многое другое.

Однако в медицинской отрасли квантовые точки подают не меньше надежд. В первую очередь их применение связано с диагностикой и лечением раковых заболеваний. Диагностика рака на ранних стадиях развития заболевания может быть произведена именно с помощью флуоресцентных квантовых точек.

Ряд физических свойств квантовых точек делает их идеальными кандидатами для маркирования и последующей диагностики опухолей. Основным преимуществом квантовых точек является то, что на их поверхность можно легко нанести биологические маркеры - белки, фрагменты ДНК и РНК, обладающие сильной адгезией к определенному виду клеток. Другое не менее важное свойство квантовых точек - их высокая яркость при флуоресцировании.

Новый метод исследования клетки с помощью "CU dots"

Недавно ученым из Корнельского университета удалось синтезировать квантовые точки, которые могут использоваться в исследованиях клетки. С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видно, но для этого клетку приходится умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп, благодаря флуоресценции маркеров. Поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.

Что же нового удалось привнести в уже отлаженную процедуру исследований ученым из Корнельского университета? Во-первых, обычные квантовые точки химически активны, что может негативно повлиять на проводимые с их использованием исследования. Во-вторых, новый тип квантовых точек в 30 раз ярче обычных, что позволило "высвечивать" внутри клетки отдельные молекулы. И, в-третьих, они могут присоединяться только к тем молекулам, маркеры которых исследователи "запрограммируют" в квантовой точке. Все эти выгоды ученым принесла новая архитектура построения наночастиц: теперь квантовая точка - это довольно сложное программируемое наноустройство.

Новая технология, разработанная исследователями, заключается в том, что квантовые точки обрабатывают, нанося на них специальное кремниевое покрытие и добавляют специфические метки, которые позволяют придавать "Cornell Dot" различные свойства.

Так, например, можно сделать квантовые точки флуоресцентными и использовать их для исследования живых тканей с помощью оптической микроскопии. "С помощью наших квантовых точек ученые могут проводить исследования, которые без их использования невозможны", - говорит Ульрих Вайснер, профессор материаловедения из Корнельского университета.

"Cornell dots", или "CU dots" - наночастицы, состоящие из ядра диаметром 2,2 нанометра, помещенного в кремниевую оболочку, содержащую молекулы флуоресцентной краски. Диаметр наночастицы целиком - 25 нанометров. Ученые назвали такое строение квантовой точки архитектурой ядро-оболочка.

Ранее для нанесения на поверхность квантовой точки белкового маркера нужно было использовать дорогостоящий производственный процесс, который состоял в том, что квантовую точку инкапсулировали в полимер. Переход на кремний позволит значительно сократить стоимость диагностики, и, как следствие, сделает ее общедоступной для больниц (для ранней диагностики рака, например).

В контрольном исследовании ученые выявили раковые клетки в образце ткани человека, больного лейкемией (см. рис. 2). Антитела иммуноглобулина Е (IgE), расположенные на поверхности раковых клеток, связывались с наночастицами, а результат было видно в оптический микроскоп.

Квантовые наномаркеры: новые методы медицинской визуализации

Оптические свойства новых квантовых точек довольно необычны. Физики задались вопросом: почему эти квантовые точки такие яркие? Ведь суммарная яркость всех частей одной наночастицы меньше всей световой энергии, излучаемой ею. Было предложено несколько объяснений. Одно из них заключается в том, что кремниевая оболочка защищает флуоресцентные метки от контакта со средой.

Команда исследователей из университета Джорджии и университета Атланты наглядно продемонстрировала, как могут квантовые точки "ловить" опухоли и показывать их врачам.

Ученые использовали свойство, характерное только для нанокристаллов - это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определённой частотой. Его-то учёные и используют для нахождения и визуализации опухоли. Сложнейшее определение точной дислокации опухоли теперь можно определить, всего лишь впрыснув пациенту раствор квантовых наномаркеров. Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвлённая, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.

Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Но есть и другой путь - активный. Он даёт более быстрые и главное - более точные результаты. Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.

В данном опыте кристаллы нанометровых размеров селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с молекулой-антигеном на поверхности клеток опухоли, привитой мышам. В предыдущих похожих исследованиях биологи сталкивались с проблемой: квантовые точки, введённые в организм, оказывались недолговечными. Нужно было найти способ защитить их каким-то щитом, в то же время сохраняя все их способности по обнаружению и высвечиванию опухоли. Это и удалось группе учёных из Атланты и Джорджии.

Эти медицинские достижения, без сомнения, впечатляют. Медики вскоре получат еще один мощный инструмент диагностики - квантовые точки. Их "умное" использование в медицине только начинается.