צורה- shifting nanoprobes הדו"ח על תנאי הגוף הפנימי באמצעות שדות מגנטיים

Anonim

צורה- shifting nanoprobes הדו"ח על תנאי הגוף הפנימי באמצעות שדות מגנטיים

רפואי

קולין ג'פרי

6 באפריל, 2015

3 תמונות

חוקרים טוענים כי יצרו nanoprobes הצורה צורה מסוגל לדווח על תנאי הגוף הפנימי (תמונה: Kelley / NIST PML)

מדענים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) והמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) פיתחו סוג חדש של ננו-אפור המזיז צורה שיכול לבצע חישה ביולוגית מרחוק ברזולוציה גבוהה שאינה אפשרית בטכנולוגיה הנוכחית. בסביבות עשירית הגודל של תא דם אדום יחיד, nanoprobes נועדו לספק משוב על תנאי הגוף הפנימי על ידי שינוי השדות המגנטיים שלהם בתגובה לסביבתם. החוקרים מנבאים יישומים נרחבים עבור nanoprobes בתחומי הכימיה, ביולוגיה, הנדסה, יום אחד, כדי לסייע לרופאים דיאגנוסטיקה קלינית גבוהה.

מודפס גיאומטרי מקודד חיישנים מגנטיים (GEMs), nanoprobes הם microengineered משתי צלחות של דיסקים מתכת מגנטיים 0.5-2 מיקרומטר בקוטר רק עשרות ננומטר עבה. אלה נוצרים משני הצדדים של ג'ל פולימרי ליצור רכיב microminiature sandwiched.

באופן ספציפי יותר, הפולימר הוא שכבה של הידרוג'ל, רשת של שרשראות פולימריות שהן הידרופיליות (סופגות מים) והן מסוגלות להתרחב במידה ניכרת לרמת הלחות בסביבה שבה הם משמשים. כמו כן, ג 'ל יכול גם חוזה כאשר הסביבה נמוכה בלחות. לפיכך, הרחבת או התקשרות של ג'ל זה ואז משנה את המרחק בין שני דיסקים מגנטיים, בתורו מגדיל או מקטין את השדה המגנטי.

שינוי זה בעוצמת השדה המגנטי משפיע על התדר המהדהד של הפרוטונים הכלולים במולקולות המים בתוך הג'ל ומסביב לו בתגובה לקרינה בתדר רדיו. כתוצאה מכך, סריקת הסביבה עם קבוצה של תדרים שונים מאפשר זיהוי מהיר של הצורה של nanoprobes באותו זמן. זה ואז מאפשר קביעת התנאים מרחוק נמדדים.

היתרון יתר על המידה של סוג זה של nanoprobe המדידה היא כי היא משתמשת באנרגיה RF כדי לבחון את התנאים בתוך הגוף לעומקים גדולים יותר עם רזולוציה גבוהה יותר ורגישות. רבים טכנולוגיות הדמיה הקיימות מסתכל סביבות ביוכימיים כגון חומציות חריגה או אלקליניטי ריכוז יון להסתמך על מגוון של חיישנים בגודל ננו המופעלים והעריכו באמצעות אור בתדרים גלויים. עם זאת את הרזולוציה של אלה אותות אופטיים פוחתת במידה ניכרת ביחס לעומק שלהם בתוך הגוף בבדיקה, ובכך להגביל את השימוש שלהם לאזורים נגישים בקלות.

לדברי צוות המחקר, שילוב הדיסק המגנטי / הידרוג'ל אינו מוגבל לשטחים נגישים בקלות או רדודים, ובכך מתאפשר ניתוח בזמן אמת של סביבות בקנה מידה מולקולרי קבור עמוק בתוך מבני רקמות.

"העיצוב שלנו מבוסס על עקרונות הפעלה שונים לחלוטין, " אמר ד"ר גארי Zabow, עמית מחקר בכיר ב NIST. "במקום בחישה מבוססת אופטית, המבחנים לשינוי צורה נועדו לפעול בספקטרום תדר רדיו (RF), במיוחד כדי להיות ניתנים לזיהוי באמצעות תהודה מגנטית גרעינית סטנדרטית (NMR) או בציוד הדמיית תהודה מגנטית (MRI). טווחים, אותות הם, למשל, לא נחלש במידה ניכרת על ידי התערבות חומרים ביולוגיים. "

המדענים בדקו את nanoprobes בפתרונות שונים, כולל אלה של משתנה pH, ריכוז יון, וכן נוזל בינוני צמיחה מאוכלס עם תאים כליות החיים, התבוננות השינויים שלהם בחילוף החומרים כפי שהם עברו מ תפקוד לאי תפקוד בשל היעדר חמצן. במבחן זה, התגובה של התאים הגדילה את רמת החומציות של המדיום הגדילה, והשינוי נרשם על ידי שינוי בזמן אמת בתדרים מהדהדים על ידי GEMs מושתלים במדיום.

בנוסף, בדיקות בסיסיות של הדור הראשון ששימשו בניסויים מוקדמים אלו היו מסוגלים בקלות לפתור משמרות תדרים, וכתוצאה מכך, סדרי גודל גבוהים יותר מכל תצפיות תדר משתנות שנצברו באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות תהודה מגנטיות.

אמנם לא nanoprobe הראשון לשנות את המדינה בשל שינוי בסביבה הביולוגית שבה הוא ממוקם - גראפן לבוש "cytobot " מאוניברסיטת אילינוי בשיקגו להיות דוגמה אחת נכבדה - nanoprobes GEM מסוגלים ישירות מצביעים על מצב pH ספציפי ולא רק שינוי בלחות.

ככזה, בהתחשב בכך שמדידת ערכי ה- pH הממוקמים באופן ספציפי בתוך גוף חי היא דבר קשה במיוחד להשיג, במיוחד כמו דברים כאלה כמו בדיקות דם פשוט לא מסוגלים לצייר דגימות מקומי מאוד כפי שהם גדולים מדי גדול מדי תערובת של נוזלים סביב. עם זאת, זוהי יכולת חשובה ורבת ערך של גילוי ה- pH באזורים ספציפיים שיכולים להיות בסיוע משמעותי באבחון מוקדם של מחלות מסוימות, למשל באינדיקציה של גידול בלתי נראה.

"כמובן, סוג זה של שימוש פוטנציאלי באורגניזמים חיים עדיין רחוק מאוד, " אמר ד"ר Zabow. "הנתונים שלנו נלקחו במבחנה, ויישומים פוטנציאליים מסוימים של החיישנים עשויים שלא להיות ביולוגיים כלל, אך מטרה ארוכת טווח היא לשפר את הטכניקות שלנו עד לנקודה שבה ניתן להשתמש ב- GEM עבור שימושים ביו-רפואיים."

כדי להיות מסוגל להתאים יישומים ביולוגיים חשובים כאלה, עם זאת, הפחתות גדולות יותר בגודל איפשהו באזור של פחות מ -100 ננומטר בקוטר יהיה צורך לאפשר בדיקות גישה למבנים קטנים בדרך כלל המרכיבות חלק גדול של האדם הגוף.

הרפסודה הנוכחית של GEMs גם הם יכולים להיות מותאמים במהלך הבריאה שלהם כדי להגיב על תנאי ביוכימיים שונים על ידי להיות מותאם כדי להדהד בתדרים שונים, תלוי בהרכב ג 'ל וצורות מגנט וחומרים בשימוש. זה, אם כן, מאפשר להכניס nanoprobes מובנים שונים באותה סביבה מקומית ו - על ידי גילוי התגובות שלהם בתדרים שונים - מאפשר לזהות ולמדוד שני משתנים נפרדים בבת אחת.

לדברי החוקרים, הם כבר הוכיחו את היכולת הזו על ידי סריקת מדיום עם GEMS דו מימדי מובהק וגילוי האותות משניהם בעת ובעונה אחת.

"הרעיון הוא שאתה יכול לעצב חיישנים שונים כדי למדוד דברים שונים, ביעילות למדידת פאנל של ביומרקרים פוטנציאליים בו זמנית, ולא רק אחד, כדי להבדיל טוב יותר בין הפתולוגיות השונות, " אמר ד"ר Zabow. "אנו חושבים כי חיישנים אלה יכולים להיות מותאמים למדידת מגוון של סמנים ביולוגיים שונים, אולי כולל דברים כגון גלוקוז, טמפרטורות מקומיות, ריכוזי יון שונים, אולי נוכחות או היעדר של אנזימים שונים וכן הלאה."

עבודה עתידית על ידי הצוות מכוונת הן מזעור נוסף, יחד עם שיטה ליצור ולהתאים מספר גדול של אלה nanoprobes צורה הצבת לשחרור בכמויות מסחריות ושימוש בסופו של דבר בעתיד טכניקות חישה ביו רפואית.

"העבודה על חיישנים מגנטיים מקודדים גיאומטרית על ידי גארי זאבו ועמיתיו היא הרחבה טבעית של מחקר שפורסם על ידי הצוות, יחד עם John Moreland של NIST בשנת 2008. עבודה זו הראתה כיצד מיקרו-מגנטים יכולים לפעול כ"תגים חכמים "כדי לזהות פוטנציאל תאים, רקמות או תנאים פיזיולוגיים, " אמר רון Goldfarb, מנהיג קבוצת מגנט של NIST. "מבחינה תפקודית, ה- GEMS במאמץ הנוכחי מתקדם יותר בכך שהם משנים את צורתם בתגובה לגירויים, ולכן הם פועלים כמדידות מדידה.האתגר הבא יהיה אופטימיזציה של עיצוב ופיתוח של ייצור בקנה מידה גדול, מבוקר בקנה מידה גדול תהליכים על מנת להפוך את חיישנים אלה זמין נרחב לחוקרים. "

וידאו קצר להלן מציג תיאור מאויר של nanoprobes בפעולה.

תוצאות מחקר זה פורסמו לאחרונה בכתב העת Nature .

מקור: NIST

הדיסק המגנטי / שילוב הידרוגל הוא טען מסוגל לספק מדידות מעומק הגוף (תמונה: Kelley / NIST PML)

חוקרים טוענים כי יצרו nanoprobes הצורה צורה מסוגל לדווח על תנאי הגוף הפנימי (תמונה: Kelley / NIST PML)

שינויים בשדה השדה המגנטי משפיעים על תדר התהודה של הפרוטונים במולקולות המים ליד nanoprobes (תמונה: Kelley / NIST PML)