Квантовые точки помогают увидеть воспалительные клетки в жировой ткани

Для точной диагностики и лечения заболеваний врачам и исследователям необходимо видеть, что происходит внутри организма. Медицинские инструменты визуализации прошли долгий путь со времён простого рентгена, но большинство существующих методов остаются слишком грубыми, чтобы количественно оценить число или конкретные типы клеток в глубоких тканях тела.

Согласно новому исследованию на мышах из Университета Иллинойса, с этой задачей могут справиться квантовые точки.

"Квантовые точки могут измерять в организме очень динамичные и сложные вещи, которые мы сейчас не видим. Они дают нам возможность подсчитывать клетки, определять их точное местоположение и наблюдать изменения во времени. Я думаю, это действительно огромный шаг вперёд", — говорит Эндрю Смит, профессор кафедры биоинженерии и соавтор исследования в ACS Nano.

Квантовые точки — это созданные в лаборатории наночастицы размером всего в несколько сотен атомов. Они обладают особыми оптическими свойствами, обнаруживаемыми с помощью стандартной микроскопии, томографии (например, ПЭТ/КТ-сканеров) и флуоресцентной визуализации. В зависимости от их размера и состава биоинженеры, такие как Смит, могут заставить их светиться определёнными цветами и излучать свет в инфракрасном спектре.

"Излучение света в инфракрасном диапазоне — редкость. Ткани тела излучают очень мало света в инфракрасном диапазоне, поэтому, если поместить точки в организм, они будут выглядеть очень ярко. Мы можем видеть глубоко в теле и измерять вещи точнее, чем с помощью технологий в видимом диапазоне", — объясняет Смит.

В исследовании ACS Nano Смит и коллеги испытали квантовые точки на макрофагах.

Макрофаги активируются, когда организму нужно поглотить патогены или очистить клеточный мусор. Одна из их функций — инициировать воспаление, создавая среду, враждебную для вредных микробов. Но иногда они слишком хорошо справляются с этой работой. В зависимости от ткани, хроническое воспаление из-за активности макрофагов может привести к диабету, сердечно-сосудистым проблемам, раку и другим заболеваниям.

Команда из Университета Иллинойса особенно интересовалась макрофагами в жировой (адипозной) ткани.

"Известно, что при увеличении веса и ожирении количество макрофагов в жировой ткани увеличивается, и они склонны смещаться в сторону воспалительного фенотипа, что способствует развитию инсулинорезистентности и метаболического синдрома. Количество и расположение макрофагов в жировой ткани плохо описаны, особенно in vivo", — говорит Келли Суонсон, соавтор исследования.

"Квантовые точки, разработанные нашей группой, позволяют лучше количественно оценивать и характеризовать клетки, присутствующие в жировой ткани, и их пространственное распределение", — добавляет он.

Команда создала квантовые точки, покрытые декстраном — молекулой сахара, которая также нацелена на макрофаги в жировой ткани. В качестве доказательства концепции они ввели эти точки тучным мышам и сравнили результаты визуализации с результатами для одного декстрана — текущего стандарта для визуализации макрофагов.

Квантовые точки превзошли один декстран на всех платформах визуализации, включая простые оптические методы.

"Квантовые точки излучают огромное количество света, что даёт нам возможность измерять определённые типы клеток в большей степени и определять, где они находятся", — говорит Смит. "Такая степень светового выхода позволяет использовать оптические методы, которые гораздо доступнее других технологий визуализации. По сравнению с МРТ и ПЭТ-сканерами, это дешёвые приборы, которые можно разместить в небольшой клинике. Они могут быть у всех".

Хотя квантовые точки ещё не используются у людей, Суонсон видит будущее, в котором простая оптическая технология, такая как ультразвук, может использоваться для неинвазивной диагностики и отслеживания воспалительных макрофагов у пациентов с избыточным весом.

"Может быть устройство, похожее на аппарат УЗИ, которым сканируют человека, и даже если вес пациента не изменился, врач сможет определить, меняются ли типы клеток. Большее количество воспалительных клеток может предсказывать инсулинорезистентность и другие проблемы", — говорит он. "Вот почему меня интересуют их диагностические свойства".

Квантовые точки не используются у людей, потому что их обычно изготавливают из тяжёлых металлов, таких как кадмий и ртуть, и учёные ещё не выяснили, как они метаболизируются и выводятся из организма. Смит и его команда работают над квантовыми точками из более безопасных элементов, но пока они остаются бесценным исследовательским инструментом. Например, их длительное время циркуляции — в девять раз больше, чем у декстрана в данном исследовании — может дать диагностам возможность выйти за рамки одномоментного снимка.

"Уровень изменчивости макрофагов даже в течение дня огромен. В жировой ткани может быть очень высокое их количество в середине дня, а затем оно резко падает", — говорит Смит. "В исследованиях на животных мы можем умерщвлять животных в начале и в конце дня, чтобы изучить тенденцию, но с квантовыми точками, возможно, это не понадобится. Можно отслеживать одно животное с течением времени, чтобы увидеть прогрессию.

Квантовые точки предлагают огромную ценность в исследованиях на животных. Так что даже если квантовые точки не попадут к людям, если мы так и не найдём способ сделать их нетоксичными, их ценность всё равно будет действительно велика".