Квантовые точки для телевизоров могут использоваться в исследованиях мозга

Исследователи используют флуоресцентные наночастицы для изучения микромира и продвижения медицинских знаний. Квантовые точки — один из типов наночастиц, более известных по использованию в экранах телевизоров. Это сверхмалые кристаллы, способные переносить электроны. При попадании УФ-света на эти полупроводниковые частицы они могут излучать свет различных цветов. Эта флуоресценция позволяет ученым изучать скрытые части клеток, органов и других структур.

Исследователи из Университета Вашингтона изучают, как квантовые точки ведут себя в мозге. Обычные заболевания мозга, включая болезнь Альцгеймера и нарушения нейроразвития, сложно диагностировать или лечить. Наноразмерные инструменты, такие как квантовые точки, способные улавливать нюансы сложной клеточной активности, перспективны в качестве средств визуализации мозга или носителей для доставки лекарств. Однако из-за проблем, связанных со здоровьем и безопасностью, важно больше узнать об их работе в биологических системах.

Квантовые точки как красители нового поколения

Квантовые точки были открыты в 1980-х годах. Они могут производить разные цвета в зависимости от своего размера и иногда называются нуль-мерными или искусственными атомами. Их наиболее известное применение сегодня — экраны телевизоров (например, Samsung QLED с 2015 года).

Уникальные оптические свойства (тысячи ярких, четких флуоресцентных цветов) сделали их полезными в качестве оптических сенсоров или зондов для визуализации в медицинских исследованиях. В отличие от обычных красителей, которые быстро выцветают (секунды или минуты), квантовые точки очень яркие и тускнеют очень медленно. Их цвет может выделяться даже через месяц. Кроме того, они слишком малы, чтобы физически влиять на движение клеток или молекул.

Сейчас квантовые точки в основном используются для высококачественной 3D-визуализации клеток или молекул и для отслеживания в реальном времени внутри или снаружи организмов животных в течение длительного периода. Однако их использование все еще ограничено исследованиями на животных. Квантовые точки часто содержат кадмий — высокотоксичный и канцерогенный тяжелый металл. Они могут выделять этот токсичный металл или образовывать нестабильные агрегаты, вызывая гибель клеток и воспаление. Мозг особенно уязвим к такому повреждению.

Как квантовые точки ведут себя в мозге

Исследователи изучили стабильность, токсичность и клеточные взаимодействия квантовых точек в развивающемся мозге крыс. Крошечные квантовые точки были обернуты в разные химические "оболочки", которые, как полагают, контролируют их взаимодействие с биологической средой. Затем оценивалось их поведение в трех моделях: культурах клеток, срезах мозга крыс и у отдельных живых крыс.

Результаты:

• Разные химические оболочки придают квантовым точкам разное поведение.
• Наиболее перспективными оказались квантовые точки с полимерной оболочкой из полиэтиленгликоля (PEG). Они более стабильны и менее токсичны в мозге крыс, и в определенной дозе не убивают клетки.
• Оказалось, что квантовые точки с покрытием PEG активируют биологический путь, усиливающий выработку молекулы, обезвреживающей металл. Это защитный механизм клеток, который, по совпадению, помогает отражать повреждения от квантовых точек.
• Квантовые точки также "поедаются" микроглией — иммунными клетками мозга, регулирующими воспаление. Затем они транспортируются в лизосомы микроглии ("клеточные мусорные баки") для деградации.

Важное предостережение: Поведение квантовых точек незначительно различается между культурами клеток, срезами мозга и живыми животными. Упрощенные модели не являются полноценной заменой целого органа. Например, в культурах клеток отсутствуют связанные клеточные сети, а в срезах мозга нет гематоэнцефалического барьера ("Великой стены" мозга).

Будущее квантовых точек

Исследование предупреждает: исследования наномедицины в мозге бессмысленны без тщательного учета сложности органа.

Тем не менее, результаты могут помочь в разработке квантовых точек, более подходящих для использования в живом мозге. Например, квантовые точки с покрытием PEG остаются стабильными и относительно нетоксичными в живой ткани мозга, обладая при этом отличными характеристиками визуализации. Их можно использовать для отслеживания движений вирусов или клеток в мозге в реальном времени.

В будущем квантовые точки могут стать важными инструментами визуализации наряду с МРТ или КТ, а также отслеживаемыми носителями для доставки лекарств к конкретным клеткам. Однако для реализации их биомедицинского потенциала за пределами исследований ученым необходимо решить проблемы здоровья и безопасности.