Квантовые точки позволили заглянуть в растущую опухоль

Большой коллектив исследователей из Массачусетского технологического института (США) испытал в действии новую технологию визуализации органов и тканей живой мыши в коротковолновой инфракрасной области. В основе технологии лежат квантовые точки — нанокристаллы арсенида индия, способные излучать в данной области спектра. Работа опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.

Флуоресцентные метки играют важную роль в биовизуализации, позволяя следить за отдельными молекулами на клеточном уровне, и за различными процессами в динамике на уровне целого организма. Наблюдение за свечением молекул, помеченных красителем или флуоресцентным белком, лежит в основе некоторых видов микроскопии и томографии. При детекции флуоресценции в биологических образцах возникает ряд затруднений, значительно снижающих чувствительность и разрешение этих методов — в частности, поглощение и рассеяние излучения тканями. Излучение в коротковолновой инфракрасной области (1000-2000 нанометров) обладает преимуществами перед остальными частями спектра — оно слабо поглощается и рассеивается, кроме того в этой области нет автофлуоресценции тканей. Однако хороших источников, которые можно было бы использовать в биомедицине — способных излучать на этих длинах волн, и при этом достаточно ярких и стабильных — до сих пор не существовало. Для решения этой проблемы ученые из MIT изготовили новый класс квантовых точек на основе арсенида индия (InAs), излучающих в коротковолновой инфракрасной области и пригодных для модификации под различные биологические приложения.

Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы, способные к флуоресценции при возбуждении в достаточно широкой области спектра. Их преимуществом является яркость и высокая фотостабильность (это значит, что они светят очень долго, и не «выгорают», как флуоресцентные красители). Кроме того, их спектральные свойства напрямую зависят от размера, а значит, ими легко манипулировать. Для использования в качестве флуоресцентных меток в организме мыши, авторы работы приготовили нанокристаллы из арсенида индия, покрыли их оболочкой из других материалов, и получили набор из нескольких сортов частиц, излучающих при разных длинах волн в заданном диапазоне. Получившиеся частицы использовали тремя различными способами для отслеживания разных процессов.

Во-первых, из квантовых точек приготовили фосфолипидные мицеллы (пузырьки), способные долго путешествовать по кровотоку. При инъекции препарата мышам оказалось возможным регистрировать сердцебиение и дыхание животного по изменению интенсивности свечения. Грызуны во время процесса могли свободно двигаться, что является существенным преимуществом нового метода: ранее для изучения физиологии приходилось помещать животных в специальные устройства (томограф или электрокардиограф), либо использовать хирургически имплантированные датчики.

Во втором варианте использования из квантовых точек приготовили наносомы, включив их в состав липопротеинов. Получившиеся частицы были похожи на мицеллы, которые всасываются в кишечнике в процессе переваривания жиров, и доставляются в разные органы, в частности, в жировую ткань. На этот раз целью авторов было проследить за метаболизмом жиров при попадании животного в холод. Введение флуоресцентных наносом в замерзшую мышь дало возможность детектировать быстрое накопление жиров в бурой жировой ткани (органе, использующем энергию, запасенную в жирах, для генерации тепла). По сравнению с другими доступными для такой детекции методами квантовые точки позволили добиться высокой чувствительности и бóльшего разрешения «картинки».

Наконец, квантовые точки в составе композитных частиц ввели в растущую опухоль мозга мыши. Частицы накапливались в сосудах опухоли, благодаря чему за ней легко было следить на фоне окружающих нормальных тканей мозга (правда, для детекции частиц в мозге в черепе пришлось проделать «окно»). Исследователям удалось не только различить отдельные сосуды — вены, артерии и капилляры, но и измерить скорость кровотока по движению отдельных частиц, как в нормальных тканях, так и в опухоли.

Хотя квантовые точки в этом исследовании зарекомендовали себя как мощный инструмент для визуализации буквально любых процессов в организме и оказались нетоксичными для животных, о применении их в человеческой медицинской диагностике говорить еще очень рано. По крайней мере, это изобретение существенно расширило возможности ученых в области доклинических испытаний лекарств, наблюдений за опухолями на модельных животных и подобных приложениях.

Дарья Спасская