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Il ricercatore sviluppa ai i tag basati a nanoparticella per individuare i virus ed il cancro con l'alta sensibilità

Come possiamo individuare il cancro ed i virus con l'alta sensibilità? Chimico fisico Laura Fabris-; un professore associato nella scienza dei materiali e nel Servizio tecnico a Rutgers, State University del New Jersey e ricercatore principale del gruppo di Fabris NanoBio; sta rivolgendo questo problema stesso. La sua ricerca mette a fuoco sulla sintesi, sul functionalization, sulla caratterizzazione e sull'applicazione delle nanoparticelle metalliche minuscole. Queste nanoparticelle “plasmonic„ notevolmente migliorano l'intensità dei segnali prodotti ad una da una tecnica superficie sensibile per la rilevazione delle molecole. Fabris ed il suo gruppo di ricerca utilizzano i microscopi elettronici della trasmissione al centro per i nanomaterials (CFN) funzionali; un Dipartimento per l'energia di Stati Uniti l'ufficio della funzione dell'utente di scienza al laboratorio nazionale di Brookhaven; per visualizzare le nanoparticelle e capire come migliorare la loro morfologia per migliorare le diagnosi cliniche.

Plasmonics è lo studio di come gli elettroni liberi alla superficie di un materiale sono eccitati da indicatore luminoso per avere oscillazioni della tassa collettiva. Che cosa sono nanoparticelle plasmonic e perché sono essi di interesse in biomedicina?

Tradizionalmente, le nanoparticelle plasmonic sono piccole particelle del metallo che assorbono l'indicatore luminoso alle lunghezze d'onda differenti secondo i loro beni; per esempio, l'oro assorbe l'indicatore luminoso a 520 nanometri e l'argento a 400 nanometri; ed ampli questo indicatore luminoso come una lente o il concentratore fa. La loro forte interazione con indicatore luminoso si presenta perché gli elettroni sulla superficie oscillano coerentemente con l'indicatore luminoso che li colpisce, nella risposta che genera un campo elettrico che è localmente molto più intenso dell'originale. Questo campo intenso può essere approfittato di a valle per aumentare il limite di segnalazione in una tecnica dell'analisi chimica chiamata la spettroscopia di Raman, che è usata per identificare la presenza di biomolecole.

Il mio gruppo mette a fuoco sulla comprensione come le interazioni luce-materia cambiano con la composizione, la forma e la dimensione delle nanoparticelle. Per esempio, quando i campi elettromagnetici interagiscono con queste nanoparticelle del metallo, c'è un'alta localizzazione del campo elettrico nei posti con i lotti di curvatura (angoli, barriere, suggerimenti). Così se potete generare le particelle con i lotti delle regioni appuntite, quindi ci saranno molte zone; “aree sensibili„ -; dove il campo elettrico è migliorato. Il campo elettrico può essere ampliato dovunque 1000 - 10.000 volte e questa amplificazione è riflessa a valle quando misuriamo l'intensità dei segnali di Raman. Quando le molecole di interesse sono collocate vicino alla superficie di queste aree sensibili, i segnali di Raman possono essere migliorati da 10 o 11 ordine di grandezza. Questo potenziamento è sufficiente per la rilevazione delle molecole singole.

Il mio gruppo ha sintetizzato il nanostars- dell'oro; le memorie sferiche con molti suggerimenti appuntiti gradiscono un discolo di mare; per questa ragione stessa. Molta scienza di scoperta nella crescita delle nanoparticelle è fatta spesso con oro perché è molto più stabile rispetto ad alcuni altri metalli. L'argento e l'alluminio si ossidano molto prontamente ed il rame non assorbe l'indicatore luminoso poichè intensamente e la sua forma è più dura da sintonizzare. In termini di applicazioni, l'oro è di interesse perché non è citotossico; possiamo utilizzarlo nelle celle senza ucciderle.

Come la spettroscopia di Raman funziona? Che informazioni fornisce e perché il limite di segnalazione deve essere aumentata?

La spettroscopia di Raman è una tecnica usata per misurare le vibrazioni molecolari, fornenti un'impronta digitale dei legami chimici che sono presenti in molecole. In questa tecnica, l'indicatore luminoso da un raggio laser è diretto ad un campione. Dopo che le molecole assorbono questa radiazione, sono eccitate molto ad un di breve durata, altamente stato eccitato. Quando le molecole si rilassano ad un più basso livello energetico, emettono l'indicatore luminoso (dello spargimento), che è raccolto da un rivelatore che registra l'intensità. Tutto il cambiamento nell'energia fra l'incidente e l'indicatore luminoso sparso è associato con le vibrazioni molecolari specifiche.

Poiché ogni molecola ha una frequenza unica di vibrazione, lo scattering di Raman può essere usato per determinare la composizione chimica ed il sistema cristallino di un materiale. Questa tecnica, che è stata intorno per più di 100 anni, funziona le grande per le alte concentrazioni di materiali ma di non ha la sensibilità per individuare i materiali alle concentrazioni basse. Per esempio, la concentrazione di proteine ed altri biomarcatori nel nostro organismo sono troppo bassi per rilevazione dallo scattering regolare di Raman.

Ma nel 1977, gli scienziati hanno capito che se una molecola di interesse sembra essere nella grande prossimità alle nanoparticelle plasmonic, quindi l'intensità del segnale di Raman ottiene ampliata. Questo fenomeno è dovuto il campo elettrico sparso migliorato quel risultati quando le nanoparticelle interagiscono con la radiazione elettromagnetica dal laser. Le molecole adsorbite sulle superfici delle strutture plasmonic avvertono questo campo forte migliorato e l'effetto di conclusione è che il segnale di scattering di Raman ottenuto da queste molecole adsorbite è molto più intenso. Questa tecnica è chiamata scattering superficie-migliorato di Raman, o SERS.

Come state applicando SERS nella vostra ricerca?

Il mio gruppo sta cercando i modi riflettere gli eventi biologicamente pertinenti che non potrebbero essere riflessi in altri modi. Un'area che siamo interessati nell'applicazione del SERS a è l'oncologia, per identificare e cellule tumorali di immagine diverse e per capire come cambiano mentre la malattia progredisce o in risposta al trattamento. MRI [imaging a risonanza magnetica], uno strumento comunemente usato nella diagnosi del cancro, ha un limite di risoluzione di un millimetro. Migliaia di celle esistono in un millimetro cubico. Dobbiamo potere vedere le diverse cellule tumorali per catturare la malattia prima che la sua crescita diventi incontrollabile. SERS è adatto idealmente per questo compito perché è molto concentrazione sensibile e spazio-risoluzione sensibile.

Il mio gruppo ha sviluppato le etichette di SERS; una nanoparticella o un'installazione di nanoparticella che è fatta di oro (in modo da dei noi può metterlo in celle), ha una forma specifica da assicurarsi che il campo (e così segnale di Raman) sia migliorato molto e porti le molecole che riconoscono unicamente le cellule tumorali. Quando una cella è malata, ha un numero alto delle proteine in sua membrana che sono tipiche di cancro. Sulle nanoparticelle dell'Raman-attivo, mettiamo gli anticorpi o i piccoli peptidi che riconoscono queste proteine. Poi, quando le nanoparticelle si aggiungono ad una coltura cellulare o alla circolazione sanguigna, specificamente attaccano a queste proteine. Se sappiamo la nanoparticella va ad una cella specifica che vogliamo all'immagine e vede che il segnale migliorato di Raman sta venendo dallo stesso luogo in cui la cella è, noi indirettamente sa che la cella è cancerogena.

Questo approccio sta prendendo durante gli ultimi anni dai vari gruppi, compreso quelli al centro commemorativo del Cancro di Sloan Kettering in New York e nell'istituto del Cancro di Rutgers del New Jersey. Corrente sto lavorando con il Dott. Isaac Kim, un oncologo all'istituto del Cancro di Rutgers, che fornisce i tessuti dai suoi pazienti di carcinoma della prostata. Avere accesso a questi tessuti ci aiuterà a migliorare le nanoparticelle di progettazione specificamente per mirare a quelle cellule tumorali e per correlare le informazioni che le nanoparticelle ci forniscono alla progressione di malattia.

Il gruppo di Fabris NanoBio consiste dei chimici, degli scienziati dei materiali, dei fisici, degli ingegneri biomedici e degli elettrotecnici che stanno sviluppando i nuovi strumenti della rappresentazione per capire come le celle si evolvono come conseguenza della progressione o del trattamento di malattia. Questo video spiega come il gruppo usa le nanoparticelle dell'oro e lo scattering superficie-migliorato di Raman per valutare la salubrità di un unicellulare. Credito: Video dell'orologio di Rutgers University

Un'altra area che stiamo mettendo a fuoco sopra è la virologia; come possiamo individuare e riflettere le mutazioni virali al livello unicellulare con i tag di SERS? Sto collaborando con i ricercatori dal NC State University, l'università dell'Illinois aUrbana-Champagne, alla Duke University ed al Montana State University con una concessione dal Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per capire come il virus dell'influenza penetra una cella ed in che circostanze è indotto per subire una mutazione.

L'influenza ed i virus in generale hanno molti sforzi differenti e subiscono una mutazione estremamente rapido, rendendo loro i bersagli mobili. Come pianificazione individuare e riflettere qualcosa che stia cambiando sempre?

Il virus dell'influenza ha otto segmenti differenti. Ogni segmento ha una regione altamente mutata e due regioni altamente conservate che non subiscono una mutazione mai. Con le nostre particelle, corrente stiamo mirando alle regioni conservate per assicurarci che il nostro strumento possa efficacemente identificare le particelle virali.

Ora, è impossible da riconoscere la presenza di virus in un unicellulare. Di conseguenza, il comportamento del virus è studiato ad un livello della popolazione e perdete tutti i dettagli che avete bisogno di; come come il comportamento di un unicellulare correla al numero delle copie del virus che stanno penetrando la cella.

Una volta che capiamo come il virus entra in un unicellulare ed in che circostanze, noi finalmente potranno individuare le mutazioni. Sebbene non possiamo segnare quali con esattezza mutazioni accadranno, potremo quantificare quante mutazioni basse là sono, per esempio. Questi informazioni aiuterebbero i virologi a valutare quante mutazioni devono accadere prima che il virus non rispondesse ad un vaccino.

In pratica, stiamo provando a capire come le mutazioni pregiudicano l'ecologia di un virus. Con questa comprensione, possiamo sviluppare i vaccini sintetici che alterano questa ecologia. Pensi ad una popolazione degli api: Se interrompiamo la colonia di api (ecologia) iniettando un vaccino sintetico che si maschera come ape di lavoratore assomigliando ad un virus ma mancando delle parti contagiose, potrebbe essere possibile interrompere i meccanismi di interazione al punto in cui l'ape regina o l'intera colonia cessa di funzionare.

Siamo di un anno nel progetto quadriennale. Se i tag riescono nella rilevazione e nel video dell'influenza al livello unicellulare, potrebbero finalmente applicarsi ad altri virus.

Uno degli scopi principali nella ricerca sul cancro oggi è di diminuire la tossicità delle terapie tradizionali eliminando le celle cancerogene mentre conserva il tessuto sano. Come sintetizzate e functionalize il SERS etichetta tali che non solo vanno dove hanno bisogno di dentro il corpo umano ma egualmente sopravvivono alle circostanze dure?

Insegno alla classe A su questo argomento stesso. La consegna è corrente molto inefficiente. Soltanto tre - cinque per cento delle nanoparticelle iniettate nella circolazione sanguigna di uno sbraccio animale la posizione sono supposti a. I reni, il fegato e la radura della milza il resto. La mia imposta come chimico dei nanomaterials è di progettare le particelle che resisteranno a questa circolazione ed esistere per 24 - 48 ore senza subire cambia nei loro beni.

Qui è dove la disciplina di chimica del bioconjugate entra in gioco; come possiamo rendere le particelle più resistenti alla ripartizione enzimatica e più efficaci al raggiungimento dei tessuti specifici ed a consegnare le droghe a quei tessuti?

Alcuni anni fa, il mio gruppo ha avuto alcuni risultati di promessa iniziali con le nanoparticelle dell'oro. Abbiamo trovato che quando assorbono la radiazione elettromagnetica, non solo aumentano il campo intorno loro ma egualmente riscaldiamo sostanzialmente. Il tessuto del tumore deve raggiungere centigrado 32 - 47 gradi [89,6 - 116,6 gradi di Fahrenheit] morire. Così se queste nanoparticelle dell'oro possono raggiungere il tessuto cancerogeno, il calore che è concentrato intorno alle particelle si propagherà al tessuto, mortale le cellule tumorali. Ancor più interessante è che quando leghiamo una molecola di doxorubicina; una droga di chemioterapia che rallenta o ferma la crescita delle celle di cancro; a queste nanoparticelle dell'oro, porti il coniugato di molecola-nanoparticella al tessuto ed applichi il calore, cellule tumorali sono uccisi molto più efficacemente. C'è un effetto cooperativo fra le due terapie.

Questo metodo (conosciuto tecnicamente come la terapia photothermal) è quello approvato dalla FDA solo con le nanoparticelle del metallo. Finora, sta usando per mirare al cancro di interfaccia. L'indicatore luminoso vicino all'infrarosso utilizzato nella terapia photothermal non può profondamente penetrare oltre la superficie dell'interfaccia nei tessuti perché ottiene assorbente e sparso (comunque in misura inferiore che indicatore luminoso visibile, che è assorbito prontamente dall'acqua nell'organismo). Il mio gruppo sta giocando con questa lunghezza d'onda (800 nanometri ed aumentano). Nel fare le particelle, dobbiamo assicurarci che assorbano la radiazione in quella finestra. Quel modo, quando consegniamo le particelle al tessuto, l'indicatore luminoso efficacemente è assorbito dai tag di nanoparticella aumentare la sensibilità. I nanostars che ho citato possono essere sintonizzati per assorbire molto bene questo indicatore luminoso.

Una domanda che ho usato per ottenere a molte conferenze per quanto riguarda i nanostars dell'oro era “non non il colpo delle punte la cella e la cella morirà?„ Ho detto uno degli studenti nel mio gruppo che abbiamo dovuto fare uno studio dettagliato per porre questo problema per riposare. Il nostro studio di un anno indirizzato se la chimica di superficie (che molecole mettiamo sopra le nanoparticelle), la forma, o la dimensione delle nanoparticelle è tossiche alle celle e se le particelle sono più tossiche alle celle cancerogene o in buona salute. Egualmente abbiamo studiato i meccanismi della tossicità.

Il mio studente ha eseguito 96 colture cellulari in parallelo con il glioblastoma umano e le linee cellulari cutanee umane del fibroblasto ed abbiamo trovato che la composizione (chimica di superficie) determina la tossicità. Confrontato ai nanospheres e ai nanorods, nanostars ricoperti di PARITÀ [poli (glicole etilenico)] erano il più minimo il tossici ed il più biocompatibili. Senza il rivestimento della PARITÀ, le particelle si agglutinano su. La PARITÀ crea un buffer che incita la cella a credere che la particella sia giusta per l'organismo; genere come di cammuffamento perché la cella non riconosce la particella. Sopra l'esposizione alle nanoparticelle, le celle in buona salute muoiono attraverso necrosi e le cellule tumorali con il apoptosis forzato (suicidio delle cellule). Abbiamo osservato le più alte attuabilità nelle nanoparticelle Parità-rivestite dell'oro. Questo risultato può essere perché la maggior parte delle nanoparticelle sono prese dalle celle in a vescicole dirette a membrana, limitanti la loro interazione con gli organelli ed il nucleo e diminuenti così la tossicità.

Come i tag di SERS individuerebbero un cancro come la leucemia, in cui le cellule tumorali circolano in tutto la circolazione sanguigna e non sono localizzate in una massa tumorale?

Dobbiamo capire come concentrare quelle celle che circolano nella circolazione sanguigna. Le celle di circolazione del tumore sono un problema importante in oncologia. Il mio gruppo recentemente ha capito un modo arricchire i campioni delle celle con le piattaforme aptamer-functionalized.

Aptamers è fili del RNA o del DNA che sono destinati per lavorare appena come gli anticorpi. In presenza di un obiettivo specifico, profilatura in una conformazione particolare ed elettrostaticamente legano le molecole dell'obiettivo. Per esempio, le proteine hanno epitopi; caselle con un'alta distribuzione della carica alla superficie; e quando i aptamers profilatura, hanno inserito nelle caselle di queste proteine come un blocco e un tasto. L'idea è alle celle di flusso sopra una diapositiva di vetro del microscopio ricoperta di aptamers che hanno un'affinità per i biomarcatori del cancro. Tutte le celle che contengono quei biomarcatori dovrebbero poi attaccare alla diapositiva. Corrente, questo trattamento non è molto efficace; pensiamo catturare i soltanto 50 - 60 per cento di quelle celle.

Avete studiato come i nanostars o le nanoparticelle diversamente a forma di potrebbero applicarsi ad altre applicazioni oltre quelle biomediche?

Mentre stavo facendo il mio postdoc al UC Santa Barbara, il gruppo di ricerca del professor Bazan, per cui stavo lavorando per, ha messo a fuoco sulle pile solari organiche. Questo gruppo ha dimostrato che se aggiungete determinate molecole ad una miscela del polimero, modificate la conformazione e create l'allineamento preferenziale della catena del polimero tali che migliorate la migrazione del portatore di carica a due elettrodi. Il pensiero che le nanoparticelle prolungate potrebbero potere fare lo stessi mi ha solleticato sempre. Quando sono diventato un ricercatore indipendente, ho cominciato collaborare con gli scienziati al laboratorio di ricerca dell'aeronautica alla base delle forze aeree di Wright-Patterson nell'Ohio per capire la sintesi e la crescita dei nanorods dell'oro ed ho presentato un'idea: se abbiamo prolungato le nanoparticelle dell'oro come i nanorods, possono noi inducono i cambiamenti della morfologia nel livello del polimero per creare le vie preferenziali in pile solari? La mia ipotesi era che l'effetto plasmonic non sarebbe stato pertinente quanto l'effetto della morfologia in nanoparticelle dell'oro. Nel verificare questa ipotesi, ho trovato che la morfologia da solo ha migliorato il risparmio di temi delle pile solari da 30 per cento a causa dell'allineamento.

Recentemente, il mio gruppo ha cominciato studiare come i nanostars possono essere utilizzati nella catalisi. Quando eccitate questi nanostars con radiazione vicina all'infrarosso, generate gli elettroni caldi alle punte. Gli esperimenti fotocatalitici hanno indicato che nei nanostars ricoperti con il biossido di titanio del catalizzatore, la posizione delle aree sensibili al suggerimento delle punte permette al trasferimento degli elettroni caldi attraverso la barriera del metallo-semiconduttore, migliorante le velocità di reazione di photoreduction.

Per utilizzare con confidenza questi nanostars nella catalisi, percepire, o la rappresentazione, dobbiamo potere stimare i beni fisici ed ottici fondamentali delle particelle con differenti diametri, lunghezze e densità della punta e composizioni materiali. Nel 2017, ho pubblicato un documento in collaborazione con l'altro microscopista Huolin Xin dei ricercatori di Rutgers e dell'elettrone del CFN su questo argomento. In particolare, abbiamo utilizzato i microscopi elettronici ad alta definizione della trasmissione al CFN per produrre le immagini tridimensionali della struttura dei nanostars.

Abbiamo trasferito i dati risultanti nella modellistica del software per capire i beni del campo elettrico e per predire i beni importanti; quali volume ed area; dei nanostars. Sono molto emozionante circa questo lavoro perché il nostro metodo potrebbe essere usato per capire le relazioni dei struttura-beni delle nanoparticelle di tutte le forma e composizione chimica. Parecchi scienziati mi hanno contattato per ringraziarmi per il metodo e sono così felice di sapere che ho aiutato altri per muovermi avanti nel loro lavoro.

Che strumentazione utilizzate al CFN e che cosa è come essere un utente del CFN?

Utilizziamo i fluorometri per determinare la presenza e la concentrazione di molecole nei nostri campioni e di microscopi elettronici della trasmissione all'immagine le nostre nanoparticelle e per capire come ottimizzare la loro morfologia per la localizzazione cellulare.

Sono stato un utente al CFN da quando ho cominciato a Rutgers nel 2009 e venire al CFN era una di migliori decisioni che avessi preso. Avevo saputo circa il laboratorio di Brookhaven prima di quel tempo, ma i miei colleghi a Rutgers mi hanno detto che la mia ricerca è sembrato essere punto sopra per le capacità al CFN. Al CFN, non solo ottenete l'accesso agli impianti di prima qualità ma anche agli scienziati che vi aiutano con i vostri progetti o collaborano con voi. Ora, raccomando il CFN ad ogni nuovo professore a Rutgers.

La medicina di precisione o personale è al giorno d'oggi una parola alla moda. Vedete la parte diventante dei tag di SERS di rilevazione e del trattamento personali del cancro?

In primo luogo, dobbiamo fare molto più il lavoro nella comprensione del genoma di una persona determinata. Poi un confronto dei genoma fra i membri della famiglia ha potuto rivelare i reticoli o le mutazioni correlati con una malattia specifica. Anche se le mutazioni sono presenti nella concentrazione bassa, l'idea è che i tag di SERS potrebbero prenderli.

Il mio gruppo ora sta aumentando la marcia per individuare i biomarcatori specifici nel sangue. Un'altra parola alla moda oggi è exosome: una vescicola secernuta dalla maggior parte dei tipi di celle, compreso le cellule tumorali, per eliminare spreco. Exosomes contiene le informazioni sulla cella stessa perché hanno la stessa membrana e proprio sono concentrate nel sangue. Alcune proteine sono imballate nei exosomes. Da un punto di vista personale della medicina, i exosomes hanno potuto servire da strumenti diagnostici e biomarcatori per la malattia.

Come siete entrato in scienza e vi siete estesi fino tante aree differenti?

Non ero mai uno di quei capretti che hanno detto che voglio essere uno scienziato quando cresco. Penso che abbia voluto essere uno scienziato tutto lungo ma appena non la abbia conosciuta. Sono stato sempre molto curioso circa come le cose funzionano e quando ero piccolo, ho elemosinato la mia mamma un microscopio ma mai non mi ha comprato uno. Alla mia High School di scienza a che ho assistito in Italia, ho ottenuto interessato in chimica. Mi ricordo c'era un'olimpiade di chimica ed il mio insegnante mi ha detto che non ha catturato le ragazze per la concorrenza ma lui permetterebbe che me vada. Ho finito fare meglio di chiunque altro!

Ho studiato la chimica fisica come studente non laureato all'università di Padova, in cui ho perseguito il mio PhD nelle scienze chimiche. Poi ho voluto vedere come lavori di ricerca negli Stati Uniti. La mia pianificazione era di restare affinchè un anno faccia un postdoc, ma qui sono 12 anni più successivamente!

Tutte cose che ora faccio sono che cosa gradisco fare. Sono un chimico fisico preparandomi ma ho compreso il mio interesse iniziale nella biologia nella mia ricerca. I tag di SERS sono molte fisica e biologia e la parte della ragione per cui ho cominciato studiare l'uso di SERS per rilevazione di cancro iniziale è che mio nonno è morto di tumore al cervello. Sto lavorando a SERS nel contesto del cancro per la decade passata. Indovino potreste dire che ho raggiunto il minimo termodinamico delle mie passioni!

Le nanoparticelle sono state sempre alla memoria della mia ricerca, ma gradisco portare la mia competenza alle aree differenti e sfidarmi. Sto cercando sempre come posso applicare la tecnica di SERS ad altri campi e godere di di essere sfidato dai problemi fuori del mio campo di specializzazione.

Alcuna della mia ricerca è egualmente il risultato di scoperta. Per esempio, la ragione che ho ottenuto implicato con il progetto della virologia a DARPA è perché inizialmente avevo contattato program manager circa usando i tag per individuare le piccole differenze nella produzione delle proteine nella gente che avverte le rotture nei loro ritmi circadiani; quali i soldati che sono svegli durante la notte. Il gestore mi ha detto che che il programma stava cessando ma là era un nuovo programma in virologia. Sono andato al giorno di proposta ed ho finito trovando altri quattro ricercatori che sono diventato parte del gruppo sul progetto della virologia che DARPA ha costituito un fondo per. Questo progetto rappresenta la prima volta che SERS sarà utilizzato nella virologia. Cerco costantemente le opportunità di mettermi là fuori perché voglio indicare alla comunità scientifica che la tecnica possa applicarsi per risolvere una vasta gamma di problemi.