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O pesquisador desenvolve etiquetas nanoparticle-baseadas para detectar vírus e cancro com sensibilidade alta

Como podemos nós detectar o cancro e os vírus com sensibilidade alta? Químico físico Laura Fabris-; um professor adjunto na ciência de materiais e no departamento de engenharia em Rutgers, na universidade estadual de New-jersey, e no investigador principal do grupo de Fabris NanoBio; está endereçando esta pergunta mesma. Sua pesquisa centra-se sobre a síntese, o functionalization, a caracterização, e a aplicação de nanoparticles metálicos minúsculos. Estes nanoparticles “plasmonic” aumentam extremamente a intensidade dos sinais produzidos por uma técnica superfície-sensível para detectar moléculas. Fabris e seu grupo de investigação usam os microscópios electrónicos da transmissão no centro para nanomaterials (CFN) funcionais; um Ministério de E.U. do escritório da Energia da facilidade do usuário da ciência no laboratório nacional de Brookhaven; para visualizar os nanoparticles e compreender como melhorar sua morfologia para melhorar diagnósticos clínicos.

Plasmonics é o estudo de como os elétrons livres na superfície de um material são entusiasmado pela luz ter oscilações da carga colectiva. Que são nanoparticles plasmonic, e porque são eles do interesse na biomedicina?

Tradicional, os nanoparticles plasmonic são as partículas pequenas do metal que absorvem a luz em comprimentos de onda diferentes segundo suas propriedades; por exemplo, o ouro absorve a luz em 520 nanômetros e a prata em 400 nanômetros; e amplifique esta luz como uma lente ou o concentrador faz. Sua interacção forte com luz ocorre porque os elétrons na superfície oscilam coerente com a luz que bate os, na resposta que gera um campo elétrico que seja localmente muito mais intenso do que o original. Este campo intenso pode ser aproveitado rio abaixo para aumentar o limite de detecção em uma técnica da análise química chamada a espectroscopia de Raman, que é usada para identificar a presença de biomoléculas.

Meu grupo centra-se sobre a compreensão de como as interacções da luz-matéria mudam com a composição, a forma, e o tamanho dos nanoparticles. Por exemplo, quando os campos eletromagnéticos interagirem com estes nanoparticles do metal, há uma localização alta do campo elétrico nos lugares com lotes da curvatura (cantos, bordas, pontas). Assim se você pode gerar partículas com lotes de regiões pontudo, a seguir haverá muitas áreas; “hot spot” -; onde o campo elétrico é aumentado. O campo elétrico pode ser amplificado em qualquer lugar 1000 a 10.000 vezes, e esta amplificação está reflectida rio abaixo quando nós medimos a intensidade dos sinais de Raman. Quando as moléculas do interesse são colocadas perto da superfície destes hot spot, os sinais de Raman podem ser aumentados por 10 ou 11 ordens de grandeza. Este realce é suficiente para detectar únicas moléculas.

Meu grupo sintetizou o nanostars- do ouro; núcleos esféricos com muitas pontas pontudo como um ouriço-do-mar de mar; para esta razão mesma. Muita ciência da descoberta no crescimento dos nanoparticles é feita frequentemente com ouro porque é muito mais estável em relação a alguns outros metais. A prata e o alumínio oxidam muito prontamente, e o cobre não absorve a luz porque intensa e sua forma é mais dura de ajustar. Em termos das aplicações, o ouro é do interesse porque não é citotóxico; nós podemos usá-lo nas pilhas sem matá-las.

Como a espectroscopia de Raman trabalha? Que informação fornece, e porque o limite de detecção precisa de ser aumentada?

A espectroscopia de Raman é uma técnica usada para medir as vibrações moleculars, fornecendo uma impressão digital das ligações químicas que estam presente nas moléculas. Nesta técnica, a luz de um raio laser é dirigida em uma amostra. Depois que as moléculas absorvem esta radiação, são entusiasmado a um estado muito breve, altamente entusiasmado. Quando as moléculas relaxam a um nível de mais baixa energia, emitem-se a luz (do scatter), que é recolhida por um detector que grave a intensidade. Toda a mudança na energia entre o incidente e a luz dispersada é associada com as vibrações moleculars específicas.

Porque cada molécula tem uma freqüência original da vibração, a dispersão de Raman pode ser usada para determinar a composição quimica e a estrutura de cristal de um material. Esta técnica, que estêve ao redor por mais de 100 anos, os trabalhos grandes para concentrações altas de materiais mas não tem a sensibilidade para detectar materiais em baixas concentrações. Por exemplo, a concentração de proteínas e outros biomarkers em nosso corpo são demasiado baixos para a detecção pela dispersão regular de Raman.

Mas em 1977, os cientistas compreenderam que se uma molécula do interesse acontece estar na grande proximidade aos nanoparticles plasmonic, a seguir a intensidade do sinal de Raman obtem amplificada. Este fenômeno é devido ao campo elétrico dispersado aumentado esse resultados quando os nanoparticles interagem com a radiação eletromagnética do laser. As moléculas fixadas nas superfícies de estruturas plasmonic experimentam este campo fortemente aumentado, e o efeito de fim é que o Raman que dispersa o sinal obtido destas moléculas fixadas é muito mais intenso. Esta técnica é chamada Raman superfície-aumentado que dispersam, ou SERS.

Como você está aplicando SERS em sua pesquisa?

Meu grupo está procurando maneiras de monitorar os eventos biològica relevantes que não poderiam ser monitorados em outras maneiras. Uma área que nós estamos interessados em aplicar SERS a é oncologia, para identificar e células cancerosas individuais da imagem e para compreender como muda enquanto a doença progride ou em resposta ao tratamento. MRI [ressonância magnética], uma ferramenta de uso geral no diagnóstico do cancro, tem um limite de definição de um milímetro. Os milhares de pilhas existem em um milímetro cúbico. Nós precisamos de poder ver células cancerosas individuais para travar a doença antes que seu crescimento se torne incontrolável. SERS é serido idealmente para esta tarefa porque é muito concentração-sensível e espaço-definição sensível.

Meu grupo desenvolveu Tag de SERS; um nanoparticle ou um conjunto do nanoparticle que seja feito do ouro (assim que de nós pode o pôr nas pilhas), têm uma forma específica a assegurar-se de que o campo (e assim o sinal de Raman) estejam aumentados muito, e levem as moléculas que reconhecem excepcionalmente células cancerosas. Quando uma pilha é doente, tem um número alto de proteínas em sua membrana que são típicas do cancro. Nos nanoparticles Raman-activos, nós pomos os anticorpos ou os peptides pequenos que reconhecem estas proteínas. Então, quando os nanoparticles são adicionados a uma cultura celular ou à circulação sanguínea, colam especificamente a estas proteínas. Se nós sabemos o nanoparticle vai a uma pilha específica que nós queiramos à imagem e vê que o sinal aumentado de Raman está vindo do mesmo lugar onde a pilha está, nós sabe indirectamente que a pilha é cancerígeno.

Esta aproximação tem pegarado nos últimos anos pelos vários grupos, incluindo aqueles no centro memorável do cancro de Sloan Kettering em New York City e em instituto do cancro de Rutgers de New-jersey. Eu estou trabalhando actualmente com Dr. Isaac Kim, um oncologista no instituto do cancro de Rutgers, que fornece tecidos de seus pacientes de cancro da próstata. Ter o acesso a estes tecidos ajudar-nos-á a melhorar nanoparticles do projecto para visar especificamente aquelas células cancerosas e para correlacionar a informação que os nanoparticles nos dão à progressão da doença.

O grupo de Fabris NanoBio consiste em químicos, em cientistas dos materiais, em físicos, em coordenadores biomedicáveis, e em engenheiros electrotécnicos que estão desenvolvendo ferramentas novas da imagem lactente para compreender como as pilhas evoluem em conseqüência da progressão ou do tratamento da doença. Este vídeo explica como o grupo usa os nanoparticles do ouro e Raman superfície-aumentado que dispersam para avaliar a saúde de uma única pilha. Crédito: Vídeo do relógio da universidade de Rutgers

Uma outra área que nós estamos focalizando sobre é virologia; como podemos nós detectar e monitorar mutações virais a nível da único-pilha com as etiquetas de SERS? Eu estou colaborando com os pesquisadores da universidade estadual do NC, das Universidades de Illinois no Urbana-Campo, de Duke University, e de universidade estadual de Montana com uma concessão do Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) para compreender como o virus da gripe penetra uma pilha e sob que circunstâncias é induzida para se transformar.

A gripe e os vírus geralmente têm muitas tensões diferentes e transformam-se extremamente ràpida, fazendo lhes alvo móveis. Como você planeia detectar e monitorar algo que está mudando sempre?

O virus da gripe tem oito segmentos diferentes. Cada segmento tem uma região altamente transformada e duas regiões altamente conservadas que nunca se transformam. Com nossas partículas, nós estamos visando actualmente as regiões conservadas para certificar-se de que nossa ferramenta pode eficazmente identificar as partículas virais.

Agora, é impossível reconhecer a presença de um vírus em uma única pilha. Em conseqüência, o comportamento do vírus é estudado a nível da população, e você perde todos os detalhes que você precisa; como como o comportamento de uma única pilha correlaciona ao número de cópias do vírus que estão penetrando a pilha.

Uma vez que nós compreendemos como o vírus incorpora uma única pilha e sob que circunstâncias, nós poderão eventualmente detectar mutações. Embora nós não poderemos localizar que mutações ocorrerão, nós poderemos determinar quantas mutações baixas lá são, por exemplo. Esta informação ajudaria virologists a avaliar quantas mutações têm que ocorrer antes que o vírus não responda a uma vacina.

Essencialmente, nós estamos tentando compreender como as mutações afectam a ecologia de um vírus. Com esta compreensão, nós podemos desenvolver as vacinas sintéticas que alteram esta ecologia. Pense de uma população das abelhas: Se nós interrompemos a colônia da abelha (ecologia) injetando uma vacina sintética que se mascarasse como uma abelha de trabalhador olhando como um vírus mas faltando as peças infecciosas, poderia ser possível interromper os mecanismos da interacção ao ponto onde a abelha de rainha ou a colônia inteira cessam de funcionar.

Nós somos um ano no projecto de quatro anos. Se as etiquetas são bem sucedidas em detectar e em monitorar a gripe a nível da único-pilha, poderiam eventualmente ser aplicadas a outros vírus.

Um dos objetivos principais na investigação do cancro é hoje reduzir a toxicidade de terapias tradicionais eliminando pilhas cancerígenos ao preservar o tecido saudável. Como você sintetiza e functionalize o SERS etiqueta tais que não somente para ir aonde precisam dentro do corpo humano mas igualmente sobrevivem às circunstâncias ásperas?

Eu ensino uma classe neste assunto mesmo. A entrega é actualmente muito incapaz. Somente três a cinco por cento dos nanoparticles injetados na circulação sanguínea de um alcance animal a posição são supor a. Os rins, o fígado, e o espaço livre do baço o resto. Meu dever como um químico dos nanomaterials é projectar as partículas que resistirão esta circulação e existir por 24 a 48 horas sem se submeter muda em suas propriedades.

É aqui onde a disciplina da química do bioconjugate entra o jogo; como podemos nós fazer partículas mais resistentes à divisão enzimático e mais eficazes em alcançar tecidos específicos e em entregar drogas 2 aqueles tecidos?

Há alguns anos atrás, meu grupo teve alguns resultados prometedores iniciais com nanoparticles do ouro. Nós encontramos que quando absorvem a radiação eletromagnética, aumentam não somente o campo em torno deles mas igualmente aquecemo-nos acima substancialmente. O tecido do tumor precisa de alcançar 32 a 47 graus Célsio [89,6 a 116,6 graus de Fahrenheit] para morrer. Assim se estes nanoparticles do ouro podem alcançar o tecido cancerígeno, o calor que é concentrado em torno das partículas propagará ao tecido, matando as células cancerosas. Ainda mais interessante é que quando nós ligamos uma molécula do doxorubicin; uma droga da quimioterapia que retarde ou pare o crescimento de pilhas de cancro; a estes nanoparticles do ouro, traga o conjugado do molécula-nanoparticle ao tecido, e aplique o calor, células cancerosas são matados muito mais eficazmente. Há um efeito cooperativo entre as duas terapias.

Este método (conhecido tècnica como a terapia fototérmica) é único aprovado pelo FDA com nanoparticles do metal. Até agora, está sendo usado para visar o cancro de pele. A luz próximo-infravermelha usada na terapia fototérmica não pode profundamente penetrar além da superfície da pele em tecidos porque obtem absorvida e dispersada (embora a um grau inferior do que a luz visível, que é absorvida prontamente pela água no corpo). Meu grupo está jogando com esta escala de comprimento de onda (800 nanômetros e levantam). Ao fazer partículas, nós precisamos de certificar-se que absorvem a radiação nesse indicador. Essa maneira, quando nós entregamos as partículas ao tecido, a luz é absorvida eficazmente pelas etiquetas do nanoparticle de aumentar a sensibilidade. Os nanostars que eu mencionei podem ser ajustados para absorver muito bem esta luz.

Uma pergunta que eu me usei para obter em muitas conferências em relação aos nanostars do ouro era “não o puxão dos pontos a pilha e a pilha morrerá?” Eu disse um dos estudantes em meu grupo que nós necessários para fazer um estudo detalhado para pôr esta pergunta para descansar. Nosso estudo de um ano endereçado se a química de superfície (que moléculas nós pomos sobre os nanoparticles), a forma, ou o tamanho dos nanoparticles são tóxicos às pilhas, e se as partículas são mais tóxicas às pilhas cancerígenos ou saudáveis. Nós igualmente investigamos mecanismos da toxicidade.

Meu estudante executou 96 culturas celulares paralelamente ao glioblastoma humano e às linha celular cutâneas humanas do fibroblasto, e nós encontramos que a composição (química de superfície) determina a toxicidade. Comparado aos nanospheres e aos nanorods, nanostars revestidos com o PEG [poli (glicol de etileno)] eram o o mais menos tóxicos e o mais biocompatible. Sem o revestimento do PEG, as partículas aglutinam-se acima. O PEG cria um amortecedor que faça a pilha acreditar que a partícula é aprovada para o corpo; tipo como de uma camuflagem porque a pilha não reconhece a partícula. Em cima da exposição aos nanoparticles, as pilhas saudáveis morrem através da necrose e das células cancerosas com apoptosis forçado (suicídio da pilha). Nós observamos umas viabilidades mais altas nos nanoparticles Peg-revestidos do ouro. Este resultado pode ser porque a maioria dos nanoparticles são pegados pelas pilhas nas vesículas do membrana-limite, limitando sua interacção com organelles e o núcleo e reduzindo assim a toxicidade.

Como as etiquetas de SERS detectariam um cancro como a leucemia, em que as células cancerosas circulam durante todo a circulação sanguínea e não são localizadas em uma massa de tumor?

Nós temos que figurar para fora como concentrar aquelas pilhas que circulam na circulação sanguínea. As pilhas de circulação do tumor são um problema importante na oncologia. Meu grupo figurou recentemente para fora uma maneira de enriquecer amostras de pilhas com plataformas aptamer-functionalized.

Aptamers é as costas do ADN ou do RNA que são projectadas trabalhar apenas como anticorpos. Na presença de um alvo específico, dobram-se em uma conformação particular e ligam-se eletrostaticamente as moléculas do alvo. Por exemplo, as proteínas têm resumos; bolsos com uma distribuição de carga alta na superfície; e quando os aptamers se dobram, couberam nos bolsos destas proteínas como um fechamento e uma chave. A ideia é às pilhas de fluxo sobre uma corrediça de vidro do microscópio revestida com os aptamers que têm uma afinidade para biomarkers do cancro. Todas as pilhas que contêm aqueles biomarkers devem então colar à corrediça. Actualmente, este processo não é muito eficaz; nós esperamos capturar somente 50 a 60 por cento daquelas pilhas.

Você investigou como os nanostars ou os nanoparticles diferentemente dados forma poderiam ser aplicados a outras aplicações além das biomedicáveis?

Quando eu fazia meu postdoc em UC Santa Barbara, o grupo de investigação de professor Bazan, para quem eu estava trabalhando para, centrou-se sobre células solares orgânicas. Este grupo demonstrou que se você adiciona determinadas moléculas a uma mistura do polímero, você altera a conformação e cria o alinhamento preferencial da corrente do polímero tais que você melhora a migração do portador de carga a dois eléctrodos. O pensamento que os nanoparticles alongados puderam poder fazer o mesmos agradou-me sempre. Quando eu me transformei um investigador independente, eu comecei colaborar com os cientistas no laboratório de investigação da força aérea na base da força aérea de Wright-Patterson em Ohio para compreender a síntese e o crescimento de nanorods do ouro, e apresentei uma ideia: se nós prolongamos nanoparticles do ouro como os nanorods, podem nós induzem mudanças da morfologia na camada do polímero para criar caminhos preferenciais nas células solares? Minha hipótese era que o efeito plasmonic não seria tão relevante quanto o efeito da morfologia em nanoparticles do ouro. Em testar esta hipótese, eu encontrei que a morfologia apenas aumentou a eficiência das células solares por 30 por cento devido ao alinhamento.

Recentemente, meu grupo começou estudar como os nanostars podem ser usados na catálise. Quando você excita estes nanostars com radiação próximo-infravermelha, você gera elétrons quentes nos pontos. As experiências Photocatalytic mostraram que nos nanostars tampados com o dióxido titanium do catalizador, o lugar dos hot spot na ponta dos pontos permite transferência de elétrons quentes através da barreira do metal-semicondutor, melhorando taxas de reacção do photoreduction.

Para usar segura estes nanostars na catálise, detecção, ou imagem lactente, nós precisamos de poder calcular as propriedades físicas e ópticas fundamentais das partículas com diâmetros diferentes, comprimentos e densidades do ponto, e composições materiais. Em 2017, eu publiquei um papel em colaboração com o outro microscopist Huolin Xin dos pesquisadores de Rutgers e do elétron do CFN neste assunto. Em particular, nós usamos microscópios electrónicos de alta resolução da transmissão no CFN para produzir imagens tridimensionais da estrutura dos nanostars.

Nós transferimos os dados resultantes em modelar o software para compreender as propriedades do campo elétrico e para prever propriedades importantes; como o volume e a área de superfície; dos nanostars. Eu sou muito entusiasmado sobre este trabalho porque nosso método poderia ser usado para compreender os relacionamentos da estrutura-propriedade dos nanoparticles de toda a forma e composição quimica. Diversos cientistas contactaram-me para agradecer-me para o método, e eu estou tão feliz saber que eu ajudei outro a se mover avante em seu trabalho.

Que equipamento você usa no CFN, e que é como ser um usuário do CFN?

Nós usamos fluorímetro para determinar a presença e a concentração de moléculas em nossas amostras e de microscópios electrónicos da transmissão à imagem nossos nanoparticles e para compreender como aperfeiçoar sua morfologia para a localização celular.

Eu fui um usuário no CFN desde que eu comecei em Rutgers em 2009, e vir ao CFN era uma das melhores decisões que eu fiz. Eu tinha sabido sobre o laboratório de Brookhaven antes desse tempo, mas meus colegas em Rutgers disseram-me que minha pesquisa pareceu ser ponto sobre para as capacidades no CFN. No CFN, você não somente para obter o acesso às facilidades de primeira classe mas igualmente aos cientistas que o ajudam com seus projectos ou os colaboram com você. Agora, eu recomendo o CFN a cada professor novo a Rutgers.

A medicina personalizado ou da precisão é uma buzzword hoje em dia. Você vê a peça tornando-se das etiquetas de SERS da detecção e do tratamento personalizados do cancro?

Primeiramente, nós precisamos de fazer muito mais o trabalho em compreender o genoma de uma pessoa individual. Então uma comparação dos genomas entre membros da família podia revelar os testes padrões ou as mutações correlacionados com uma doença específica. Mesmo se as mutações estam presente na baixa concentração, a ideia é que as etiquetas de SERS poderiam os pegarar.

Meu grupo está alinhando agora acima para detectar biomarkers específicos no sangue. Uma outra buzzword é hoje exosome: uma vesícula segregada pela maioria de tipos de pilhas, incluindo células cancerosas, para remover o desperdício. Exosomes contem a informação sobre a pilha própria porque têm a mesma membrana, e são concentrados bastante no sangue. Algumas proteínas são empacotadas em exosomes. De um ponto de vista personalizado da medicina, os exosomes podiam servir como ferramentas diagnósticas e biomarkers para a doença.

Como você obteve na ciência e se estendeu a tão muitas áreas diferentes?

Eu era nunca um daqueles cabritos que disseram que eu quero ser um cientista quando eu cresço acima. Eu penso que eu quis ser um cientista durante todo o tempo mas apenas não a conheci. Eu fui sempre muito curioso sobre como as coisas trabalham, e quando eu era pequeno, eu implorei minha mamã por um microscópio mas nunca me comprou um. Em minha High School da ciência a que eu atendi em Itália, eu obtive interessado na química. Eu recordo havia uma olimpíada da química, e meu professor me disse que não tomou meninas para a competição mas ele permitiria que eu fosse. Eu terminei acima de fazer melhor do que qualquer um mais!

Eu estudei a química física como um universitário na universidade de Padua, onde eu levei a cabo meu PhD em ciências químicas. Então eu quis ver como trabalhos de pesquisa nos Estados Unidos. Meu plano era ficar por um ano para fazer um postdoc, mas aqui eu sou 12 anos mais tarde!

Todas as coisas que eu faço agora são o que eu gosto de fazer. Eu sou um químico físico treinando mas eu incorporei meu interesse adiantado na biologia em minha pesquisa. As etiquetas de SERS são muitas física e biologia, e a parte da razão que eu comecei investigar o uso de SERS para a detecção de cancro adiantada é que meu avô morreu do cancro cerebral. Eu tenho trabalhado em SERS no contexto do cancro para a década passada. Eu supor você poderia dizer que eu alcancei o mínimo termodinâmica de minhas paixões!

Nanoparticles estêve sempre no núcleo de minha pesquisa, mas eu gosto de trazer minha experiência às áreas diferentes e de desafiar-se. Eu estou procurando sempre como eu posso aplicar a técnica de SERS a outros campos e a apreciar ser desafiado por problemas fora de minha área de especialização.

Alguma de minha pesquisa é igualmente o resultado do serendipity. Por exemplo, a razão que eu obtive involvido com o projecto da virologia em DARPA é porque eu tinha contactado inicialmente um gestor de programa sobre a utilização das etiquetas para detectar diferenças pequenas na produção de proteínas nos povos que experimentam rompimentos em seus ritmos circadianos; como os soldados que estão acordados durante a noite. O gerente disse-me que que o programa estava terminando mas lá era um programa novo na virologia. Eu fui ao dia da proposta e terminei acima de encontrar outros quatro investigador que se transformaram parte da equipe no projecto da virologia que DARPA financiou. Este projecto representa a primeira vez que SERS estará usado na virologia. Eu procuro constantemente oportunidades de pôr-se lá fora porque eu quero mostrar à comunidade científica que a técnica pode ser aplicada para resolver uma escala larga dos problemas.