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Le chercheur développe les balises nanoparticle basées sur pour trouver les virus et le cancer avec la sensibilité élevée

Comment pouvons-nous trouver le cancer et les virus avec la sensibilité élevée ? Pharmacien matériel Laura Fabris- ; un professeur agrégé dans le service de scientifique et technique de matériaux à Rutgers, à l'université de l'Etat du New Jersey, et à l'investigateur principal du groupe de Fabris NanoBio ; aborde cette question même. Sa recherche se concentre sur la synthèse, le functionalization, la caractérisation, et l'application des nanoparticles métalliques minuscules. Ces nanoparticles « plasmonic » améliorent grand l'intensité des signes produits par une technique tensio-sensible pour trouver des molécules. Fabris et son organisme de recherche utilisent les microscopes électroniques de boîte de vitesses au centre pour les nanomaterials (CFN) fonctionnels ; un bureau de Département de l'énergie des États-Unis d'installation d'usager de la Science au laboratoire national de Brookhaven ; pour concevoir les nanoparticles et comprendre comment améliorer leur morphologie pour améliorer des diagnostics cliniques.

Plasmonics est l'étude de la façon dont des électrons libres sur la surface d'un matériau sont excités par la lumière pour avoir des vibrations de charge collective. Quels sont les nanoparticles plasmonic, et pourquoi sont-elles de l'intérêt pour la biomédecine ?

Traditionnellement, les nanoparticles plasmonic sont de petites particules en métal qui absorbent la lumière à différentes longueurs d'onde selon leurs propriétés ; par exemple, l'or absorbe la lumière à 520 nanomètres et l'argent à 400 nanomètres ; et amplifiez cette lumière comme une lentille ou le concentrateur fait. Leur interaction intense avec la lumière se produit parce que les électrons sur la surface oscillent avec cohérence avec la lumière les heurtant, dans la réaction produisant d'un champ électrique qui est localement beaucoup plus fort que l'original. Cet inducteur fort peut être tiré profit en aval pour augmenter la limite de détection en spectroscopie appelée de Raman de technique d'analyse chimique, qui est employée pour recenser la présence des biomolécules.

Mon groupe se concentre sur comprendre comment les interactions de lumière-question changent avec la composition, forment, et taille des nanoparticles. Par exemple, quand les champs électromagnétiques agissent l'un sur l'autre avec ces nanoparticles en métal, il y a une localisation élevée du champ électrique dans les places avec un bon nombre de courbure (coins, arêtes, bouts). Ainsi si vous pouvez produire des particules avec un bon nombre de régions en épi, puis il y aura beaucoup d'endroits ; « points chauds » - ; là où le champ électrique est amélioré. Le champ électrique peut être amplifié n'importe où de 1000 à 10.000 fois, et cette amplification est réfléchie en aval quand nous mesurons l'intensité des signes de Raman. Quand des molécules d'intérêt sont mises près de la surface de ces points chauds, les signes de Raman peuvent être améliorés par 10 ou 11 ordres de grandeur. Cette amélioration est suffisante pour trouver les molécules uniques.

Mon groupe a synthétisé le nanostars- d'or ; les faisceaux sphériques avec beaucoup de bouts en épi aiment un oursin ; pour cette raison même. Beaucoup de science de découverte dans l'accroissement des nanoparticles est souvent faite avec de l'or parce qu'elle est beaucoup plus stable par rapport à quelques autres métaux. L'argent et l'aluminium s'oxydent très promptement, et le cuivre n'absorbe pas la lumière car intensément et il est plus difficile d'ajuster sa forme. En termes d'applications, l'or est d'intérêt parce qu'il n'est pas cytotoxique ; nous pouvons l'employer en cellules sans les détruire.

Comment la spectroscopie de Raman fonctionne-t-elle ? Quelles informations est-ce qu'elle fournit-elle, et pourquoi la limite de détection doit être augmentée ?

La spectroscopie de Raman est une technique employée pour mesurer des vibrations moléculaires, fournissant une empreinte digital des liaisons chimiques qui sont présentes en molécules. Dans cette technique, la lumière d'un faisceau laser est dirigée à un échantillon. Après que les molécules absorbent cette radiothérapie, elles sont excitées à une condition très de courte durée et hautement enthousiaste. Quand les molécules détendent à un niveau énergétique plus bas, elles émettent la lumière (de dispersion), qui est rassemblée par un détecteur qui enregistre l'intensité. N'importe quel changement d'énergie entre l'incident et la lumière dispersée est associé aux vibrations moléculaires spécifiques.

Puisque chaque molécule a une seule fréquence de vibration, la dispersion de Raman peut être employée pour déterminer la composition chimique et la structure cristalline d'un matériau. Cette technique, qui a été autour pendant plus de 100 années, des travaux grands pour des fortes concentrations de matériaux mais elle n'a pas la sensibilité pour trouver des matériaux aux concentrations inférieures. Par exemple, la concentration des protéines et d'autres biomarqueurs dans notre fuselage sont si bas pour le dépistage par la dispersion régulière de Raman.

Mais en 1977, les scientifiques ont compris que si une molécule d'intérêt s'avère justement être dans la grande proximité aux nanoparticles plasmonic, alors l'intensité du signe de Raman obtient amplifiée. Ce phénomène est dû au champ électrique dispersé amélioré ce des résultats quand les nanoparticles agissent l'un sur l'autre avec le rayonnement électromagnétique du laser. Les molécules adsorbées sur les surfaces des structures plasmonic remarquent cet inducteur fortement amélioré, et l'effet de fin est que le Raman dispersant le signe obtenu à partir de ces molécules adsorbées est beaucoup plus fort. Cette technique est Raman surface-amélioré appelé dispersant, ou SERS.

Comment appliquez-vous SERS dans votre recherche ?

Mon groupe recherche des voies de surveiller les événements biologiquement appropriés qui ne pourraient pas être surveillés d'autres voies. Un endroit que nous sommes intéressés à s'appliquer SERS à est oncologie, pour recenser et cellules cancéreuses d'image différentes et pour comprendre comment ils changent pendant que la maladie progresse ou en réponse à la demande de règlement. IRM [imagerie par résonance magnétique], un outil utilisé généralement dans le diagnostic de cancer, a une limite de définition d'un mm. Les milliers de cellules existent dans un mm cubique. Nous devons pouvoir voir différentes cellules cancéreuses pour recueillir la maladie avant que son accroissement devienne incontrôlable. SERS approprié idéalement à cette tâche parce que c'est très concentration-sensible et espace-définition sensible.

Mon groupe a développé des étiquettes de SERS ; un nanoparticle ou un ensemble de nanoparticle qui est fait d'or (ainsi nous peut le mettre en cellules), a une forme spécifique à assurer que l'inducteur (et ainsi le signe de Raman) est amélioré beaucoup, et transporte les molécules qui identifient seulement des cellules cancéreuses. Quand une cellule est malade, elle a un numéro élevé des protéines dans sa membrane qui sont typiques du cancer. Sur les nanoparticles Raman-actifs, nous mettons les anticorps ou les petits peptides qui identifient ces protéines. Puis, quand les nanoparticles sont ajoutés à une culture cellulaire ou à la circulation sanguine, ils collent particulièrement à ces protéines. Si nous savons le nanoparticle va à une cellule spécifique que nous voulons à l'image et voit que le signe amélioré de Raman vient du même lieu où la cellule est, nous savent indirectement que la cellule est cancéreuse.

Cette approche avait repris pendant les dernières années par les groupes variés, y compris ceux au centre de lutte contre le cancer commémoratif de Sloan Kettering à New York City et institut de cancer de Rutgers de New Jersey. Je travaille actuel avec M. Isaac Kim, un oncologiste à l'institut de cancer de Rutgers, qui fournit des tissus de ses patients de cancer de la prostate. Avoir accès à ces tissus nous aidera à améliorer des nanoparticles de modèle pour viser particulièrement ces cellules cancéreuses et pour marquer l'information que les nanoparticles nous fournissent à la progression de la maladie.

Le groupe de Fabris NanoBio se compose des pharmaciens, des scientifiques de matériaux, des physiciens, des techniciens biomédicaux, et des techniciens électriques qui développent les outils neufs de représentation pour comprendre comment les cellules évoluent en raison de la progression de la maladie ou de la demande de règlement. Ce vidéo explique comment le groupe emploie les nanoparticles d'or et le Raman surface-amélioré dispersant pour évaluer la santé d'une cellule. Crédit : Vidéo de montre d'université de Rutgers

Un autre endroit que nous nous orientons en circuit est virologie ; comment pouvons-nous trouver et surveiller des mutations virales au niveau unicellulaire avec les balises de SERS ? Je collabore avec des chercheurs d'université de l'Etat d'OR, de l'Université de l'Illinois au l'Urbana-Champagne, de Duke University, et d'université de l'Etat du Montana par une concession de l'Agence de la défense pour les projets de recherche avancés (DARPA) pour comprendre comment le virus de la grippe pénètre une cellule et dans quelles conditions elle est induite pour subir une mutation.

La grippe et les virus en général ont beaucoup de différentes tensions et subissent une mutation extrêmement rapidement, leur effectuant des objectifs en mouvement. Comment vous planification pour trouver et surveiller quelque chose qui change toujours ?

Le virus de la grippe a huit segments différents. Chaque segment a une région fortement mutée et deux régions fortement économisées qui ne subissent jamais une mutation. Avec nos particules, nous visons actuel les régions économisées pour nous assurer que notre outil peut effectivement recenser les particules virales.

En ce moment, il est impossible d'identifier la présence d'un virus dans une cellule. Comme résultat, le comportement du virus est étudié à un niveau de population, et vous détruisez tous les petits groupes que vous avez besoin ; comme la façon dont le comportement d'une cellule marque avec le nombre de copies du virus qui pénètrent la cellule.

Une fois que nous comprenons comment le virus entre dans une cellule et dans quelles conditions, nous pourront éventuellement trouver des mutations. Bien que nous ne puissions pas indiquer exactement quelles mutations se produiront, nous pourrons mesurer combien de mutations de base là sont, par exemple. Cette information aiderait des virologues à évaluer combien de mutations doivent se produire avant que le virus ne réponde pas à un vaccin.

Essentiellement, nous essayons de comprendre comment les mutations affectent l'écologie d'un virus. Avec cette compréhension, nous pouvons développer les vaccins synthétiques qui modifient cette écologie. Pensez à une population des abeilles : Si nous perturbons la colonie d'abeille (écologie) en injectant un vaccin synthétique qui se masque comme abeille de travailleur en ressemblant à un virus mais en manquant des pièces infectieuses, il pourrait être possible de perturber les mécanismes de l'interaction à la remarque où la reine des abeilles ou la colonie entière cesse de fonctionner.

Nous sommes d'un an dans le projet de quatre ans. Si les balises sont couronnées de succès en trouvant et en surveillant la grippe au niveau unicellulaire, elles pourraient éventuellement être appliquées à d'autres virus.

Un des objectifs principaux dans la cancérologie est aujourd'hui de réduire la toxicité des traitements traditionnels en éliminant des cellules cancéreuses tout en préservant le tissu sain. Comment synthétisez-vous et functionalize le SERS étiquette tels qu'elles vont non seulement où elles ont besoin à l'intérieur du corps humain mais survivent également les conditions brutales ?

J'enseigne un type sur ce sujet même. La distribution est actuel très inefficace. Seulement des trois à cinq pour cent de nanoparticles injectés dans la circulation sanguine d'une extension animale la position ils sont supposés à. Les reins, le foie, et l'espace libre de rate le reste. Mon rendement en tant que pharmacien de nanomaterials est de concevoir les particules qui résisteront à cette circulation et exister pendant 24 à 48 heures sans subir change dans leurs propriétés.

Voici où la discipline de la chimie de bioconjugate entre dans le jeu ; comment pouvons-nous rendre des particules plus résistantes à la perte enzymatique et plus efficaces à atteindre les tissus spécifiques et à livrer des médicaments à ces tissus ?

Il y a quelques années, mon groupe a eu quelques résultats prometteurs préliminaires avec des nanoparticles d'or. Nous avons constaté que quand ils absorbent le rayonnement électromagnétique, ils augmentent non seulement l'inducteur autour de eux mais réchauffons également considérablement. Le tissu tumoral doit atteindre 32 à 47 degrés de Fahrenheit des degrés Celsius [89,6 à 116,6] à mourir. Ainsi si ces nanoparticles d'or peuvent atteindre le tissu cancéreux, la chaleur qui est concentrée autour des particules propagera au tissu, détruisant les cellules cancéreuses. Bien plus intéressant est que quand nous grippons une molécule de doxorubicine ; une substance chimiothérapeutique qui ralentit ou arrête l'accroissement des cellules de cancer ; à ces nanoparticles d'or, portez le conjugué de molécule-nanoparticle au tissu, et appliquez la chaleur, cellules cancéreuses sont détruits beaucoup plus effectivement. Il y a un effet coopératif entre les deux traitements.

Cette méthode (techniquement connue sous le nom de traitement photothermique) est la seule approuvée par le FDA avec des nanoparticles en métal. Jusqu'ici, elle est employée pour viser le cancer de la peau. La lumière de proche-infrared utilisée dans le traitement photothermique ne peut pas profondément pénétrer au delà de la surface de la peau dans des tissus parce qu'elle obtient absorbée et dispersée (cependant dans une moindre mesure que la lumière visible, qui est promptement absorbée par l'eau dans le fuselage). Mon groupe joue avec cette gamme de longueurs d'onde (800 nanomètres et se lèvent). En effectuant des particules, nous devons nous assurer qu'elles absorbent la radiothérapie dans cet hublot. De cette façon, quand nous fournissons les particules au tissu, la lumière est effectivement absorbée par les balises de nanoparticle d'augmenter la sensibilité. Les nanostars que j'ai mentionnés peuvent être ajustés pour absorber cette lumière très bien.

Une question que j'avais l'habitude d'obtenir à beaucoup de conférences concernant les nanostars d'or était « pas la poussée de pointes la cellule et la cellule mourra ? » J'ai dit un des stagiaires dans mon groupe que nous avons dû faire une étude détaillée pour poser cette question pour poser. Notre toute l'année étude adressée si la chimie extérieure (quelles molécules nous mettons en circuit les nanoparticles), la forme, ou la taille des nanoparticles est toxique aux cellules, et si les particules sont plus toxiques à cancéreux ou aux cellules saines. Nous avons également vérifié des mécanismes de la toxicité.

Mon stagiaire a fait fonctionner 96 cultures cellulaires parallèlement au glioblastome humain et aux lignées cellulaires cutanées humaines de fibroblaste, et nous avons constaté que la composition (chimie extérieure) détermine la toxicité. Comparé aux nanospheres et aux nanorods, nanostars enduits de l'ANCRAGE [poly (éthylèneglycol)] étaient le moins toxique et les plus biocompatibles. Sans couche d'ANCRAGE, les particules groupent en masse compacte. L'ANCRAGE produit un tampon qui incite la cellule à croire que la particule est en bon état pour le fuselage ; un peu comme un camouflage parce que la cellule n'identifie pas la particule. Lors de l'exposition aux nanoparticles, les cellules saines meurent par la nécrose et les cellules cancéreuses par l'apoptose obligatoire (suicide de cellules). Nous avons observé des viabilités plus élevées dans les nanoparticles Ancrage-enduits d'or. Ce résultat peut être parce que la plupart des nanoparticles sont reprises par les cellules dans des vésicules liées par membrane, limitant leur interaction avec les organelles et le noyau et réduisant de ce fait la toxicité.

Comment les balises de SERS trouveraient-elles un cancer comme la leucémie, dans laquelle les cellules cancéreuses diffusent dans toute la circulation sanguine et ne sont pas localisées dans une masse de tumeur ?

Nous devons figurer à l'extérieur comment concentrer ces cellules diffusant dans la circulation sanguine. Les cellules tumorales de diffusion sont un problème important en oncologie. Mon groupe récent a figuré à l'extérieur une voie d'enrichir des groupes des cellules avec les plates-formes aptamer-functionalized.

Aptamers sont des boucles d'ADN ou d'ARN qui sont conçues pour fonctionner juste comme des anticorps. En présence d'un objectif spécifique, ils se plient dans une conformation particulière et grippent électrostatiquement les molécules-cible. Par exemple, les protéines ont des épitopes ; poches avec une distribution de charge élevée sur la surface ; et quand les aptamers se plient, ils se sont insérés dans les poches de ces protéines comme un blocage et une clavette. L'idée est aux cellules de débitmètre au-dessus d'un guide en verre de microscope enduit des aptamers qui ont une affinité pour des biomarqueurs de cancer. Toutes les cellules contenant ces biomarqueurs devraient alors s'en tenir au guide. Actuel, ce procédé n'est pas très efficace ; nous comptons capter seulement des 50 à 60 pour cent de ces cellules.

Avez-vous vérifié comment les nanostars ou les nanoparticles différemment formés pourraient être appliqués à d'autres applications au delà de les biomédicales ?

Tandis que je faisais mon postdoc à UC Santa Barbara, l'organisme de recherche de professeur Bazan, pour pour qui je travaillais, s'est concentré sur les piles solaires organiques. Ce groupe a expliqué que si vous ajoutez certaines molécules à un mélange de polymère, vous modifiez la conformation et produisez le cadrage préférentiel du réseau de polymère tels que vous améliorez le transfert de porteur de charge à deux électrodes. La pensée que les nanoparticles oblongs pourraient pouvoir faire la même chose m'a toujours chatouillé. Quand je suis devenu un chercheur indépendant, j'ai commencé à collaborer avec des scientifiques au laboratoire de recherche de l'Armée de l'Air à la base aérienne de Wright-Patterson en Ohio pour comprendre la synthèse et l'accroissement des nanorods d'or, et ai présenté une idée : si nous avons prolongé des nanoparticles d'or comme les nanorods, peuvent nous induisent des changements de morphologie de la couche de polymère pour produire des voies préférentielles en piles solaires ? Mon hypothèse était que l'effet plasmonic ne serait pas aussi approprié que l'effet de morphologie dans des nanoparticles d'or. En évaluant cette hypothèse, j'ai trouvé cet seul amélioré de morphologie le rendement des piles solaires par 30 pour cent à cause du cadrage.

Récent, mon groupe a commencé à étudier comment des nanostars peuvent être employés dans la catalyse. Quand vous excitez ces nanostars avec la radiothérapie de proche-infrared, vous produisez des électrons chauds aux pointes. Les expériences Photocatalytic ont prouvé que dans les nanostars recouverts avec du dioxyde de titane de catalyseur, l'emplacement des points chauds au bout des pointes active le transfert des électrons chauds par le barrage de métal-semi-conducteur, améliorant des régimes de réaction de photoreduction.

Pour employer avec confiance ces nanostars dans la catalyse, détection, ou représentation, nous devons pouvoir estimer les propriétés matérielles et optiques principales des particules avec différents diamètres, longueurs et densités de pointe, et compositions matérielles. En 2017, I publié un papier en collaboration avec l'autre microscopiste de chercheurs de Rutgers et d'électron de force mixte de l'OTAN Huolin Xin sur ce sujet. En particulier, nous avons utilisé les microscopes électroniques à haute résolution de boîte de vitesses à la force mixte de l'OTAN pour produire des images en trois dimensions de la structure des nanostars.

Nous avons transféré les caractéristiques donnantes droit dans modéliser le logiciel pour comprendre les propriétés de champ électrique et pour prévoir les propriétés importantes ; comme le volume et la superficie ; des nanostars. Je suis très enthousiaste au sujet de ce travail parce que notre méthode pourrait être employée pour comprendre les relations de structure-propriété des nanoparticles de n'importe quelles forme et composition chimique. Plusieurs scientifiques m'ont contacté pour me remercier de la méthode, et je suis si heureux de savoir que j'ai aidé d'autres pour déménager le long leur travail.

Quel matériel utilisez-vous à la force mixte de l'OTAN, et à quoi ressemble il être un usager de force mixte de l'OTAN ?

Nous utilisons des fluoromètres pour déterminer la présence et la concentration des molécules dans nos échantillons et des microscopes électroniques de boîte de vitesses à l'image nos nanoparticles et pour comprendre comment optimiser leur morphologie pour la localisation cellulaire.

J'ai été un usager à la force mixte de l'OTAN depuis que j'ai commencé chez Rutgers en 2009, et venir à la force mixte de l'OTAN était l'une des meilleures décisions que j'ai prises. J'avais su le laboratoire de Brookhaven avant ce temps, mais mes collègues chez Rutgers m'ont dit que ma recherche a semblé être endroit en circuit pour les capacités à la force mixte de l'OTAN. À la force mixte de l'OTAN, vous obtenez non seulement l'accès à d'excellentes installations mais également aux scientifiques qui vous aident avec vos projets ou collaborent avec vous. Maintenant, je recommande la force mixte de l'OTAN à chaque professeur neuf à Rutgers.

Le médicament personnalisée ou de précision est un mot à la mode de nos jours. Voyez-vous la pièce étant de balises de SERS du dépistage du cancer et de la demande de règlement personnalisés ?

D'abord, nous devons effectuer beaucoup plus le travail en comprenant le génome d'une personne individuelle. Alors une comparaison des génomes entre les membres de la famille a pu indiquer des configurations ou des mutations marquées avec une maladie spécifique. Même si les mutations sont présentes dans la concentration inférieure, l'idée est que les balises de SERS pourraient les prendre.

Mon groupe s'engrène maintenant pour trouver des biomarqueurs spécifiques dans le sang. Un autre mot à la mode est aujourd'hui exosome : une vésicule sécrétée par la plupart des types de cellules, y compris des cellules cancéreuses, pour enlever des rebuts. Exosomes contiennent les informations sur la cellule elle-même parce qu'elles ont la même membrane, et elles sont tout à fait concentrées dans le sang. Quelques protéines sont empaquetées dans des exosomes. D'un point de vue personnalisé de médicament, les exosomes ont pu servir d'outils de diagnostic et de biomarqueurs à la maladie.

Comment êtes-vous entré dans la science et vous êtes-vous étendu à tant de différents endroits ?

Je n'étais jamais l'un de ces chevreaux qui ont dit que je veux être un scientifique quand je grandis. Je pense que j'ai voulu être un scientifique tout au long de mais juste ne l'ai pas connue. J'ai toujours été très curieux au sujet de la façon dont les choses fonctionnent, et de le moment où j'étais petit, j'ai prié ma maman pour un microscope mais il ne m'a jamais acheté un. À mon lycée de la science que j'ai fréquenté en Italie, je suis devenu intéressé par la chimie. Je rappelle il y avait une olympiade de chimie, et mon professeur m'a dit que qu'il n'a pas pris des filles pour la concurrence mais lui me permettrait d'aller. J'ai fini vers le haut de faire mieux que n'importe qui d'autre !

J'ai étudié la physico-chimie en tant qu'étudiant préparant une licence à l'université de Padoue, où j'ai poursuivi mon PhD en sciences chimiques. Alors j'ai voulu voir comment des travaux de recherches aux Etats-Unis. Mon régime était de rester pendant une année pour faire un postdoc, mais ici je suis 12 ans après !

Sont toutes les choses que je fais maintenant ce que j'aime faire. Je suis un pharmacien matériel par chemin de fer mais j'ai comporté mon intérêt tôt pour la biologie à ma recherche. Les balises de SERS sont vraiment physique et biologie, et une partie de la raison pour laquelle j'ai commencé à vérifier l'utilisation de SERS pour le dépistage du cancer tôt est que mon grand-père est mort du cancer du cerveau. J'avais travaillé à SERS dans le cadre du cancer pour la décennie passée. J'estime vous pourriez dire que j'ai atteint le minimum thermo-dynamique de mes passions !

Nanoparticles ont toujours été au faisceau de ma recherche, mais j'aime porter mes compétences à différents endroits et se défier. Je recherche toujours comment je peux m'appliquer la technique de SERS à d'autres inducteurs et apprécier pour être contestée par des problèmes en dehors de mon secteur d'expertise.

Une partie de ma recherche est également le résultat du hasard heureux. Par exemple, la raison que je suis devenue impliqué avec le projet de virologie chez DARPA est parce que j'avais au commencement contacté un gestionnaire de programme au sujet d'employer les balises pour trouver de petites différences dans la production des protéines dans les gens qui remarquent des perturbations dans leurs rythmes circadiens ; comme les soldats qui sont éveillés au cours de la nuit. Le gestionnaire m'a dit que que le programme finissait mais là était un programme neuf en virologie. Je suis allé au jour de proposition et ai fini vers le haut de trouver quatre autres chercheurs qui sont devenus partie de l'équipe sur le projet de virologie que DARPA a financé. Ce projet représente la première fois que SERS sera employé en virologie. Je recherche continuellement des opportunités de s'éteindre là parce que je veux prouver à la communauté scientifique que la technique peut être appliquée pour résoudre une large gamme de problèmes.