Новый метод исследования наномира

Учёные из Института науки о свете Общества Макса Планка (MPL) и Центра физики и медицины Макса Планка (MPZPM) в Эрлангене совершили большой шаг вперёд в характеристике наночастиц. Они использовали специальный метод микроскопии на основе интерферометрии, который превосходит существующие приборы. Одно из возможных применений этой техники — идентификация заболеваний.

Наночастицы повсюду: в нашем теле (белковые агрегаты, липидные везикулы, вирусы), в питьевой воде (примеси) и в воздухе (загрязнители). Многие лекарства, включая недавние вакцины, основаны на доставке наночастиц. Быстрые тесты на обнаружение SARS-CoV-2 также используют наночастицы — красная полоска содержит мириады золотых наночастиц, покрытых антителами к вирусным белкам.

Технически наночастицами называют объекты диаметром менее одного микрометра. Частицы размером около 0.2 микрометра и меньше измерить крайне сложно. Интересно, что в этот же диапазон (0.02–0.2 мкм) попадают и вирусы.

Существующие инструменты для характеристики наночастиц (например, электронный микроскоп) имеют недостатки: громоздкость, высокая стоимость, длительная подготовка образцов в вакууме и сложность определения состава частиц. Быстрый, надёжный, лёгкий и портативный прибор для использования в кабинете врача или в полевых условиях имел бы огромное значение. Оптические инструменты на рынке пока не обладают достаточным разрешением для частиц значительно меньше 100 нм.

Группа исследователей из MPL и MPZPM изобрела новое устройство, предлагающее большой скачок в характеристике наночастиц. Метод называется iNTA (Interferometric Nanoparticle Tracking Analysis). Результаты опубликованы в майском номере журнала Nature Methods.

Метод основан на интерферометрическом детектировании света, рассеянного отдельными наночастицами, которые беспорядочно движутся в жидкости. В такой среде тепловая энергия постоянно перемещает частицы. Объём, который частица исследует за заданное время, коррелирует с её размером (малые частицы движутся «быстрее»). Это явление описывается соотношением Стокса–Эйнштейна. Если отслеживать траекторию наночастицы и собрать статистику, можно определить её размер. Задача — записывать очень быстрые видео движения крошечных частиц.

Учёные MPL разрабатывали в течение последних двух десятилетий особый метод микроскопии — интерферометрическое рассеяние (iSCAT). Эта техника чрезвычайно чувствительна для обнаружения наночастиц. Применив iSCAT к проблеме диффундирующих наночастиц, группа MPL поняла, что может превзойти существующие рыночные приборы. Новая технология особенно эффективна для расшифровки смесей наночастиц разного размера и из разных материалов.

Применения нового метода многообразны. Особенно перспективна линия исследований, связанная с внеклеточными везикулами — наноразмерными «транспортными средствами», выделяемыми клетками. Они состоят из липидной оболочки (подобно нано-мыльному пузырю), но оболочка и внутренняя жидкость также содержат белки, которые указывают на происхождение везикул (из какого органа или клеточного процесса). Отклонение количества белка и/или размера везикул от нормы может сигнализировать о болезни. Поэтому очень важно найти способы охарактеризовать внеклеточные везикулы.

Исследователи из MPL и MPZPM сейчас работают над созданием настольной системы, чтобы учёные по всему миру могли воспользоваться преимуществами iNTA.