Advertencia: Esta página es una traducción de esta página originalmente en inglés. Tenga en cuenta ya que las traducciones son generadas por máquinas, no que todos traducción será perfecto. Este sitio Web y sus páginas están destinadas a leerse en inglés. Cualquier traducción de este sitio Web y su páginas Web puede ser imprecisa e inexacta en su totalidad o en parte. Esta traducción se proporciona como una conveniencia.

El investigador desarrolla etiquetas nanoparticle-basadas para descubrir virus y el cáncer con alta sensibilidad

¿Cómo podemos descubrir el cáncer y virus con alta sensibilidad? Químico físico Laura Fabris-; un profesor adjunto en la ciencia material y la oficina técnica en Rutgers, la universidad de estado de New Jersey, y el investigador principal del grupo de Fabris NanoBio; está dirigiendo esta misma pregunta. Su investigación se centra en la síntesis, el functionalization, la caracterización, y el uso de nanoparticles metálicos minúsculos. Estos nanoparticles “plasmonic” aumentan grandemente la intensidad de las señales producidas por una técnica superficie-sensible para descubrir las moléculas. Fabris y su grupo de investigación utilizan los microscopios electrónicos de la transmisión en el centro para los nanomaterials (CFN) funcionales; un Ministerio de los E.E.U.U. de oficina de la Energía de la instalación del utilizador de la ciencia en el laboratorio nacional de Brookhaven; para visualizar los nanoparticles y entender cómo perfeccionar su morfología para perfeccionar diagnosis clínicas.

Plasmonics es el estudio de cómo los electrones libres en la superficie de un material son excitados por la luz para tener oscilaciones de la carga colectiva. ¿Cuáles son nanoparticles plasmonic, y porqué son ellos del interés en biomedecina?

Tradicionalmente, los nanoparticles plasmonic son las pequeñas partículas del metal que absorben la luz en diversas longitudes de onda dependiendo de sus propiedades; por ejemplo, el oro absorbe la luz en 520 nanómetros y la plata en 400 nanómetros; y amplifique esta luz como una lente o el concentrador hace. Su acción recíproca fuerte con la luz ocurre porque los electrones en la superficie oscilan coherente con la luz que los pega, en la reacción que genera un campo eléctrico que sea localmente mucho más intenso que la original. Este campo intenso se puede aprovechar río abajo para aumentar el límite de detección en una técnica del análisis químico llamada la espectroscopia de Raman, que se utiliza para determinar la presencia de biomoléculas.

Mi grupo se centra en la comprensión de cómo las acciones recíprocas de la luz-materia cambian con la composición, la forma, y la talla de los nanoparticles. Por ejemplo, cuando los campos electromagnéticos obran recíprocamente con estos nanoparticles del metal, hay una alta localización del campo eléctrico en lugares con los lotes de curvatura (esquinas, filos, extremos). Tan si usted puede generar partículas con los lotes de regiones de punta, después habrá muchas áreas; “sitios calientes” -; donde se aumenta el campo eléctrico. El campo eléctrico se puede amplificar dondequiera a partir 1000 a 10.000 veces, y esta amplificación se refleja río abajo cuando medimos la intensidad de las señales de Raman. Cuando las moléculas del interés se colocan cerca de la superficie de estos sitios calientes, las señales de Raman se pueden aumentar por 10 o 11 órdenes de magnitud. Este aumento es suficiente para descubrir las únicas moléculas.

Mi grupo ha sintetizado el nanostars- del oro; núcleos esféricos con muchos extremos de punta como un pilluelo de mar; por esta misma razón. Mucha ciencia del descubrimiento en el incremento de nanoparticles se hace a menudo con oro porque es mucho más estable con respecto a algunos otros metales. La plata y el aluminio oxidan muy fácilmente, y el cobre no absorbe la luz pues intenso y su forma es más dura de sintonizar. En términos de usos, el oro está de interés porque no es citotóxico; podemos utilizarlo en células sin matarles.

¿Cómo la espectroscopia de Raman trabaja? ¿Qué información ofrece, y porqué el límite de detección necesita ser aumentada?

La espectroscopia de Raman es una técnica usada para medir las vibraciones moleculares, ofreciendo una huella dactilar de los vínculos químicos que están presentes en moléculas. En esta técnica, la luz de un de rayo láser se dirige en una muestra. Después de que las moléculas absorban esta radiación, se excitan a un estado muy efímero, altamente emocionado. Cuando las moléculas se relajan a un nivel de una energía más inferior, emiten la luz (de la dispersión), que cerco por un detector que registre la intensidad. Cualquier cambio en energía entre el incidente y la luz dispersa se asocia a vibraciones moleculares específicas.

Porque cada molécula tiene una frecuencia única de la vibración, el dispersar de Raman se puede utilizar para determinar la composición química y la estructura cristalina de un material. Esta técnica, que ha estado alrededor por más de 100 años, funciona increíble para las altas concentraciones de materiales solamente él no tiene la sensibilidad para descubrir los materiales en las concentraciones inferiores. Por ejemplo, la concentración de proteínas y otros biomarkers en nuestra carrocería son demasiado bajos para la detección por dispersar regular de Raman.

Pero en 1977, los científicos entendían que si una molécula del interés suceso estar en gran proximidad a los nanoparticles plasmonic, después la intensidad de la señal de Raman consigue amplificada. Este fenómeno es debido al campo eléctrico disperso aumentado ese los resultados cuando los nanoparticles obran recíprocamente con la radiación electromágnetica del laser. Las moléculas adsorbidas sobre las superficies de estructuras plasmonic experimentan este campo fuertemente aumentado, y el efecto de final es que el Raman que dispersa la señal obtenida de estas moléculas adsorbidas es mucho más intenso. Esta técnica se llama Raman superficie-aumentado que dispersa, o SERS.

¿Cómo usted está aplicando SERS en su investigación?

Mi grupo está buscando maneras de vigilar las acciones biológico relevantes que no se podrían vigilar de otras maneras. Una área que estamos interesados en la aplicación de SERS a es oncología, para determinar y células cancerosas individuales de la imagen y para entender cómo él cambia mientras que la enfermedad progresa o en respuesta al tratamiento. MRI [proyección de imagen de resonancia magnética], una herramienta de uso general en diagnosis del cáncer, tiene un límite de resolución de un milímetro. Los millares de células existen en un milímetro cúbico. Necesitamos poder ver a las células cancerosas individuales para coger la enfermedad antes de que su incremento llegue a ser incontrolable. SERS se adapta idealmente para esta tarea porque es muy concentración-sensible y espacio-resolución sensible.

Mi grupo ha desarrollado etiquetas de SERS; un nanoparticle o un montaje del nanoparticle que se hace el oro (así que de nosotros puede ponerlo en células), tiene una forma específica a asegurarse que el campo (y así la señal de Raman) está aumentado mucho, y que lleva las moléculas que reconocen únicamente a las células cancerosas. Cuando una célula es enferma, tiene un número elevado de las proteínas en su membrana que son típicas de cáncer. En los nanoparticles Raman-activos, ponemos los anticuerpos o los pequeños péptidos que reconocen estas proteínas. Entonces, cuando los nanoparticles se agregan a un cultivo celular o a la circulación sanguínea, adhieren específicamente a estas proteínas. Si sabemos el nanoparticle va a una célula específica que queramos a la imagen y ve que la señal aumentada de Raman está viniendo del mismo lugar donde está la célula, nosotros sabe indirectamente que la célula es cacerígena.

Esta aproximación ha estado tomando en los años últimos de los diversos grupos, incluyendo ésos en el centro conmemorativo del cáncer de Sloan Kettering en New York City y el instituto del cáncer de Rutgers de New Jersey. Estoy trabajando actualmente con el Dr. Isaac Kim, oncólogo en el instituto del cáncer de Rutgers, que ofrece tejidos de sus enfermos de cáncer de la próstata. Tener acceso a estos tejidos nos ayudará a mejorar nanoparticles del diseño para apuntar específicamente a esas células cancerosas y para correlacionar la información que los nanoparticles nos dan a la progresión de la enfermedad.

El grupo de Fabris NanoBio consiste en químicos, científicos de los materiales, físicos, ingenieros biomédicos, y los ingenieros eléctricos que están desarrollando las nuevas herramientas de la proyección de imagen para entender cómo las células se desarrollan como resultado de la progresión o del tratamiento de la enfermedad. Este vídeo explica cómo el grupo utiliza los nanoparticles del oro y Raman superficie-aumentado que dispersan para fijar la salud de una célula. Haber: Vídeo de la vigilancia de la universidad de Rutgers

Otra área que estamos enfocando conectado es virología; ¿cómo podemos descubrir y vigilar mutaciones virales en el nivel unicelular con las etiquetas de SERS? Estoy colaborando con los investigadores de la universidad de estado del NC, de la Universidad de Illinois en el Urbana-Chamán, de Duke University, y de la universidad de estado de Montana con una concesión del Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) para entender cómo el virus de gripe penetra una célula y bajo qué condiciones a le inducen que se transforme.

La gripe y los virus en general tienen muchas diversas deformaciones y se transforman extremadamente rápidamente, haciéndoles blancos móviles. ¿Cómo usted proyecta descubrir y vigilar algo que está cambiando siempre?

El virus de gripe tiene ocho diversos segmentos. Cada segmento tiene una región altamente transformada y dos regiones altamente conservadas que nunca se transformen. Con nuestras partículas, estamos apuntando actualmente las regiones conservadas para asegurarnos de que nuestra herramienta puede determinar efectivo las partículas virales.

Ahora, es imposible reconocer la presencia de un virus en una célula. Como consecuencia, el comportamiento del virus se estudia en un nivel de la población, y usted pierde a todos los detalles que usted necesita; por ejemplo cómo el comportamiento de una célula correlaciona al número de copias del virus que estén penetrando la célula.

Una vez que entendemos cómo el virus entra en una célula y bajo qué condiciones, nosotros podrán eventual descubrir mutaciones. Aunque no podremos establecer claramente ocurrirán qué mutaciones, podremos cuantificar son cuántas mutaciones bajas allí, por ejemplo. Esta información ayudaría a virólogos a fijar cuántas mutaciones tienen que ocurrir antes de que el virus no responda a una vacuna.

Esencialmente, estamos intentando entender cómo las mutaciones afectan a la ecología de un virus. Con esta comprensión, podemos desarrollar las vacunas sintetizadas que alteran esta ecología. Piense en una población de abejas: Si rompemos a la colonia de la abeja (ecología) inyectando una vacuna sintetizada que se encubra como abeja de trabajador pareciendo un virus pero faltando las piezas infecciosas, podría ser posible romper los mecanismos de la acción recíproca al punto donde la abeja reina o la colonia entera deja de funcionar.

Somos un año en el proyecto de cuatro años. Si las etiquetas son acertadas en descubrir y vigilar la gripe en el nivel unicelular, podrían ser aplicadas eventual a otros virus.

Una de las metas mayores en la investigación de cáncer es hoy reducir la toxicidad de terapias tradicionales eliminando las células cacerígenas mientras que preserva el tejido sano. ¿Cómo usted sintetiza y functionalize el SERS marca tales con etiqueta que no sólo van a adonde necesitan dentro del cuerpo humano pero también sobreviven las condiciones duras?

Enseño a una clase en este mismo tema. El lanzamiento es actualmente muy ineficaz. El solamente tres a cinco por ciento de nanoparticles inyectados en la circulación sanguínea de un alcance animal la posición se suponen a. Los riñones, el hígado, y el claro del bazo el descanso. Mi servicio como químico de los nanomaterials es diseñar las partículas que resistirán esta circulación y existir por 24 a 48 horas sin experimentar cambia en sus propiedades.

Aquí es donde la disciplina de la química del bioconjugate entra en el juego; ¿cómo podemos hacer partículas más resistentes a la avería enzimática y más efectivas en alcanzar tejidos específicos y la entrega de las drogas a esos tejidos?

Hace unos años, mi grupo tenía algunos resultados prometedores iniciales con los nanoparticles del oro. Encontramos que cuando absorben la radiación electromágnetica, no sólo aumentan el campo alrededor de ellos pero también lo calentamos hacia arriba substancialmente. El tejido del tumor necesita alcanzar 32 a 47 grados de cent3igrado [89,6 a 116,6 grados de Fahrenheit] morir. Tan si estos nanoparticles del oro pueden alcanzar el tejido cacerígeno, el calor que se concentra alrededor de las partículas propagará al tejido, matando a las células cancerosas. Aún más interesante es que cuando atamos una molécula del doxorubicin; una droga de la quimioterapia que reduce o para el incremento de las células de cáncer; a estos nanoparticles del oro, traiga la conjugación del molécula-nanoparticle al tejido, y aplique el calor, células cancerosas se matan mucho más efectivo. Hay un efecto cooperativo entre las dos terapias.

Este método (conocido técnico como terapia fototérmica) es el único aprobado por la FDA con los nanoparticles del metal. Hasta ahora, se está utilizando para apuntar el cáncer de piel. La luz del infrarrojo cercano usada en terapia fototérmica no puede penetrar profundamente más allá de la superficie de la piel en tejidos porque consigue absorbida y dispersada (sin embargo en un grado inferior que la luz visible, que es absorbida fácilmente por el agua en la carrocería). Mi grupo está jugando con este alcance de longitud de onda (800 nanómetros y suben). Al hacer partículas, necesitamos asegurarnos de que absorban la radiación en esa ventana. Esa manera, cuando entregamos las partículas al tejido, la luz es absorbida efectivo por las etiquetas del nanoparticle de aumentar sensibilidad. Los nanostars que mencioné se pueden sintonizar para absorber esta luz muy bien.

Una pregunta que conseguía en muchas conferencias con respecto a los nanostars del oro era “no el empuje de los picos la célula y la célula morirá?” Informé a uno de los estudiantes en mi grupo que necesitamos hacer un estudio detallado para formular esta pregunta para descansar. Nuestro estudio de un año dirigido si la química superficial (qué moléculas ponemos los nanoparticles), la forma, o la talla de los nanoparticles es tóxicas a las células, y si las partículas son más tóxicas a las células cacerígenas o sanas. También investigamos mecanismos de la toxicidad.

Mi estudiante funcionó con 96 cultivos celulares paralelamente a glioblastoma humano y a variedades de células cutáneas humanas del fibroblasto, y encontramos que la composición (química superficial) determina toxicidad. Comparado a los nanospheres y a los nanorods, nanostars recubiertos con la ESPIGA [polivinílica (glicol de etileno)] eran el lo más menos posible tóxicos y el más biocompatibles. Sin la capa de la ESPIGA, las partículas agrupan hacia arriba. La ESPIGA crea un almacenador intermedio que haga que la célula cree que la partícula es aceptable para la carrocería; un poco como un camuflaje porque la célula no reconoce la partícula. Sobre la exposición a los nanoparticles, las células sanas mueren a través de necrosis y de células cancerosas con el apoptosis forzado (suicidio de la célula). Observamos viabilidades más altas en los nanoparticles Espiga-revestidos del oro. Este resultado puede ser porque la mayor parte de los nanoparticles son tomados por las células en las vesículas del membrana-salto, limitando su acción recíproca con los organelos y el núcleo y reduciendo así toxicidad.

¿Cómo las etiquetas de SERS descubrirían un cáncer como la leucemia, en la cual las células cancerosas circulan en la circulación sanguínea y no se localizan en una masa de tumor?

Tenemos que imaginar cómo concentrar esas células que circulan en la circulación sanguínea. Las células de circulación del tumor son un problema importante en oncología. Mi grupo imaginó recientemente una manera de enriquecer muestras de células con las plataformas aptamer-functionalized.

Aptamers es los cabos de la DNA o del ARN que se diseñan para trabajar apenas como los anticuerpos. En presencia de un objetivo específico, doblan en una conformación determinada y atan electroestático las moléculas del objetivo. Por ejemplo, las proteínas tienen epitopos; cavidades con una alta distribución de carga en la superficie; y cuando los aptamers doblan, ajustaron en las cavidades de estas proteínas como un cierre y una llave. La idea está a las células de caudalómetro sobre una diapositiva de cristal del microscopio recubierta con los aptamers que tienen una afinidad para los biomarkers del cáncer. Cualquier célula que contiene esos biomarkers debe entonces adherir a la diapositiva. Actualmente, este proceso no es muy efectivo; preveemos capturar el solamente 50 a 60 por ciento de esas células.

¿Usted ha investigado cómo los nanostars o los nanoparticles diferentemente dados forma se podrían aplicar a otros usos más allá los biomédicos?

Mientras que hacía mi postdoc en UC Santa Barbara, el grupo de investigación de profesor Bazan, para quien trabajaba, se centró en las células solares orgánicas. Este grupo demostró que si usted agrega ciertas moléculas a una mezcla del polímero, usted modifica la conformación y crea la alineación preferencial de la cadena del polímero tales que usted perfecciona la migración de la onda portadora de carga a dos electrodos. El pensamiento que los nanoparticles alargados pudieron poder hacer lo mismo me cosquilleó siempre. Cuando hice investigador independiente, comencé a colaborar con los científicos en el laboratorio de investigación de la fuerza aérea en la base de las fuerzas aéreas de Wright-Patterson en Ohio para entender la síntesis y el incremento de los nanorods del oro, y presenté una idea: ¿si hemos alargado nanoparticles del oro como pueden los nanorods, nosotros indujeron a cambios de la morfología en la capa del polímero que creen caminos preferenciales en células solares? Mi hipótesis era que el efecto plasmonic no sería tan relevante como el efecto de la morfología en nanoparticles del oro. En la prueba de esta hipótesis, encontré que la morfología solamente aumentó la eficiencia de las células solares por el 30 por ciento debido a la alineación.

Recientemente, mi grupo comenzó a estudiar cómo los nanostars se pueden utilizar en catálisis. Cuando usted excita estos nanostars con la radiación del infrarrojo cercano, usted genera electrones calientes en los picos. Los experimentos Photocatalytic han mostrado que en los nanostars capsulados con el dióxido de titanio del catalizador, la situación de los sitios calientes en el extremo de los picos habilita la transferencia de electrones calientes a través de la barrera del metal-semiconductor, perfeccionando regímenes de reacción del photoreduction.

Para utilizar con confianza estos nanostars en catálisis, el detectar, o proyección de imagen, necesitamos poder estimar las propiedades físicas y ópticas fundamentales de las partículas con diversos diámetros, los largos y las densidades del pico, y las composiciones materiales. En 2017, publiqué un papel en colaboración con el otro microscopista Huolin Xin de los investigadores de Rutgers y del electrón del CFN en este tema. Particularmente, utilizamos los microscopios electrónicos de alta resolución de la transmisión en el CFN para producir las imágenes tridimensionales de la estructura de los nanostars.

Transferimos los datos resultantes en el modelado de software para entender las propiedades del campo eléctrico y para predecir propiedades importantes; por ejemplo volumen y la superficie; de los nanostars. Soy muy emocionado sobre este trabajo porque nuestro método se podría utilizar para entender los lazos de la estructura-propiedad de nanoparticles de cualquier forma y composición química. Varios científicos me han contacto para agradecerme por el método, y me plazco tan saber que he ayudado a otros para moverse adelante en su trabajo.

¿Qué equipo usted utiliza en el CFN, y cuál es como ser un utilizador del CFN?

Utilizamos los fluorómetros para determinar la presencia y la concentración de moléculas en nuestras muestras y de microscopios electrónicos de la transmisión a la imagen nuestros nanoparticles y para entender cómo optimizar su morfología para la localización celular.

He sido un utilizador en el CFN desde que comencé en Rutgers en 2009, y el venir al CFN era una de las mejores decisiones que he tomado. Había sabido sobre el laboratorio de Brookhaven antes de ese tiempo, pero mis colegas en Rutgers me informaron que mi investigación parecía ser sitio conectado para las capacidades en el CFN. En el CFN, usted no sólo consigue el acceso a las instalaciones de primera calidad pero también a los científicos que le ayudan con sus proyectos o colaboran con usted. Ahora, recomiendo al CFN a cada nuevo profesor a Rutgers.

El remedio personalizada o de la precisión es un palabra de moda hoy en día. ¿Usted ve la pieza que se convierte de las etiquetas de SERS de la detección y del tratamiento personalizados del cáncer?

Primero, necesitamos hacer mucho más el trabajo en la comprensión del genoma de una persona individual. Entonces una comparación de los genomas entre los miembros de la familia podía revelar las configuraciones o las mutaciones correlacionadas con una enfermedad específica. Incluso si las mutaciones están presentes en la concentración inferior, la idea es que las etiquetas de SERS podrían tomarlas.

Mi grupo ahora está adaptando hacia arriba para descubrir biomarkers específicos en sangre. Otro palabra de moda es hoy exosome: una vesícula secretada por la mayoría de los tipos de células, incluyendo las células cancerosas, para quitar el desecho. Exosomes contiene la información sobre la célula sí mismo porque tienen la misma membrana, y los concentran muy en la sangre. Algunas proteínas se empaquetan en exosomes. De un punto de vista personalizado del remedio, los exosomes podían servir como las herramientas diagnósticas y biomarkers para la enfermedad.

¿Cómo usted consiguió en ciencia y se amplió a tan muchas diversas áreas?

Nunca era uno de esos cabritos que dijeron que quiero ser científico cuando crezco. Pienso que quise ser científico a lo lardo de pero apenas que no la conocía. He sido siempre muy curioso sobre cómo las cosas trabajan, y cuando era pequeño, pedí a mi mamá un microscopio pero ella nunca me compró uno. En mi High School secundaria de la ciencia a que asistí en Italia, conseguí interesado en química. Recuerdo había una olimpiada de la química, y mi profesor me informó que él no tomó a las muchachas para la competencia sino él permitiría que fuera. ¡Terminé encima de hacer mejor que nadie!

Estudié química física como estudiante en la universidad de Padua, en donde perseguí mi doctorado en ciencias químicas. Entonces quise ver cómo los trabajos de investigación en los Estados Unidos. ¡Mi plan era tirante por un año para hacer un postdoc, pero aquí soy 12 años más tarde!

Todas las cosas que ahora lo hago son lo que tengo gusto de hacer. Soy químico físico entrenando pero he incorporado mi interés temprano en biología en mi investigación. Las etiquetas de SERS son la mucha física y biología, y la parte de la razón que comencé a investigar el uso de SERS para la detección de cáncer temprana es que mi abuelo murió de cáncer de cerebro. He estado trabajando en SERS en el contexto del cáncer para la última década. ¡Conjeturo usted podría decir que he alcanzado la condición atmosférica mínima termodinámica de mis pasiones!

Nanoparticles ha estado siempre en la base de mi investigación, pero tengo gusto de traer mi experiencia a diversas áreas y de desafiarse. Estoy buscando siempre cómo puedo aplicar la técnica de SERS a otros campos y gozar el ser desafiado por problemas fuera de mi campo de especialización.

Algo de mi investigación es también el resultado de la serendipia. Por ejemplo, la razón que conseguí implicado con el proyecto de la virología en DARPA es porque había contacto inicialmente a un program manager sobre usar las etiquetas para descubrir pequeñas diferencias en la producción de proteínas en la gente que experimenta desorganizaciones en sus ritmos circadianos; por ejemplo los soldados que están despiertos durante la noche. El gerente me informó que el programa terminaba pero allí que era un nuevo programa en virología. Fui al día de la oferta y terminé encima de encontrar a cuatro otros investigadores que hicieron parte de las personas en el proyecto de la virología que DARPA financió. Este proyecto representa la primera vez que SERS será utilizado en virología. Busco constante oportunidades de ponerse ahí fuera porque quiero mostrar a la comunidad científica que la técnica se puede aplicar para resolver una amplia gama de problemas.