Los científicos que trabajan en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y los Institutos Nacionales de Salud han ideado y demostrado una nueva, sonda que cambia de forma, aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano, que es capaz de sensible, detección biológica remota de alta resolución que no es posible con la tecnología actual. Si finalmente se utiliza de forma generalizada, el diseño podría tener un gran impacto en la investigación en medicina, química, biología e ingeniería. Por último, podría usarse en diagnósticos clínicos.

Hasta la fecha, la mayoría de los esfuerzos para obtener imágenes de condiciones bioquímicas altamente localizadas, como un pH * y una concentración de iones anormales, marcadores críticos para muchos trastornos, se basan en varios nanosensores que se sondean con luz a frecuencias ópticas. Pero la sensibilidad y la resolución de las señales ópticas resultantes disminuyen rápidamente al aumentar la profundidad en el cuerpo. Eso ha limitado la mayoría de las aplicaciones a menos oscurecidas, regiones más ópticamente accesibles.

Los nuevos dispositivos de sonda que cambian de forma, descrito en línea en la revista Naturaleza , ** no están sujetos a esas limitaciones. Permiten detectar y medir condiciones localizadas a escala molecular en lo profundo de los tejidos, y observar cómo cambian en tiempo real.

"Nuestro diseño se basa en principios operativos completamente diferentes, "dice Gary Zabow de NIST, quien dirigió la investigación con los colegas del NIH Stephen Dodd y Alan Koretsky. "En lugar de la detección basada en ópticas, las sondas que cambian de forma están diseñadas para operar en el espectro de radiofrecuencia (RF), específicamente para ser detectable con un equipo estándar de resonancia magnética nuclear (RMN) o de formación de imágenes por resonancia magnética (IRM). En estos rangos de RF, las señales son, por ejemplo, no debilitado apreciablemente por la intervención de materiales biológicos ".

Como resultado, pueden hacerse fuertes señales distintivas de dimensiones muy pequeñas a profundidades sustanciales o en otros lugares imposibles de sondear con sensores de base óptica.

Los dispositivos novedosos, llamados sensores magnéticos codificados geométricamente (GEM), son sándwiches de gel de metal diseñados por microingeniería aproximadamente de 5 a 10 veces más pequeños que un solo glóbulo rojo, una de las células humanas más pequeñas. Cada uno consta de dos discos magnéticos separados que varían de 0,5 a 2 micrómetros (millonésimas de metro) de diámetro y tienen solo decenas de nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor.

Entre los discos hay una capa espaciadora de hidrogel, una red de polímeros que puede absorber agua y expandirse significativamente; la cantidad de expansión depende de las propiedades químicas del gel y del entorno que lo rodea. En cambio, también puede encogerse en respuesta a las cambiantes condiciones locales. La hinchazón o el encogimiento del gel cambia la distancia (y por lo tanto, la fuerza del campo magnético) entre los dos discos, y eso, Sucesivamente, cambia la frecuencia a la que los protones en las moléculas de agua alrededor y dentro del gel resuenan en respuesta a la radiación de radiofrecuencia. El escaneo de la muestra con un rango de frecuencias identifica rápidamente la forma actual de las nanoprobes, midiendo eficazmente las condiciones remotas a través de los cambios en las frecuencias de resonancia causados ​​por los agentes que cambian de forma.

En los experimentos informados en Naturaleza , los científicos probaron los sensores en soluciones de pH variable, en soluciones con gradientes de concentración de iones, y en un medio de crecimiento líquido que contiene células renales caninas vivas a medida que su metabolismo pasa de normal a no funcional en ausencia de oxígeno. Ese fenómeno hizo que el medio de cultivo se acidificara, y el cambio a lo largo del tiempo fue detectado por los GEM y registrado mediante cambios en tiempo real en las frecuencias resonantes. Incluso para los no optimizados, sondas de primera generación utilizadas, los cambios de frecuencia resultantes de los cambios en el pH se resolvieron fácilmente y fueron órdenes de magnitud mayores que cualquier cambio de frecuencia equivalente observado mediante enfoques tradicionales de espectroscopía de resonancia magnética.

El seguimiento de valores de pH muy localizados en organismos vivos puede resultar difícil. (Un análisis de sangre no necesariamente puede hacerlo porque la muestra mezcla sangre de numerosos lugares). Sin embargo, los cambios de pH locales pueden proporcionar señales tempranas invaluables de muchas patologías. Por ejemplo, el pH alrededor de una célula cancerosa es ligeramente más bajo de lo normal, y la inflamación interna generalmente conduce a un cambio local en el nivel de pH. La detección de tales cambios podría revelar, por ejemplo, la presencia de un tumor invisible o mostrar si se ha desarrollado una infección alrededor de un implante quirúrgico.

"Por supuesto, ese tipo de uso potencial en organismos vivos está todavía muy lejos, ", Dijo Zabow." Nuestros datos se tomaron in vitro. Y algunas aplicaciones potenciales de los sensores pueden no ser biológicas en absoluto. Pero un objetivo a largo plazo es mejorar nuestras técnicas hasta el punto en que los GEM puedan emplearse para usos biomédicos ".

Eso requeriría entre otras cosas, mayor miniaturización. Los GEM de 0,5 a 2 µm de diámetro en los experimentos ya son lo suficientemente pequeños para muchas aplicaciones in vitro y otras posibles aplicaciones no biológicas. así como posiblemente para algunas aplicaciones relacionadas con células in vivo. Pero las estimaciones preliminares de los experimentadores indican que los sensores pueden reducirse sustancialmente de su tamaño actual, y posiblemente podría hacerse de menos de 100 nanómetros de diámetro. Eso abriría muchas aplicaciones biomédicas adicionales.

Una de las características más importantes de los GEM es que se pueden "sintonizar" en la fabricación para responder a diferentes estados bioquímicos y resonar en diferentes partes del espectro de RF al alterar la composición del gel y las formas y materiales de los imanes. respectivamente. Por lo tanto, colocar dos poblaciones diferentes de GEM en el mismo sitio hace posible rastrear cambios en dos variables diferentes al mismo tiempo, una capacidad que los investigadores demostraron al colocar GEM con dos dimensiones diferentes en la misma ubicación y detectar las señales de ambas simultáneamente.

"La idea es que puedas diseñar diferentes sensores para medir diferentes cosas, medir eficazmente un panel de posibles biomarcadores de forma simultánea, en lugar de solo uno, para diferenciar mejor entre diferentes patologías, ", Dice Zabow." Creemos que estos sensores se pueden adaptar potencialmente para medir una variedad de biomarcadores diferentes, posiblemente incluyendo cosas como glucosa, temperaturas locales, varias concentraciones de iones, posiblemente la presencia o ausencia de varias enzimas, etc. "

Ron Goldfarb, líder del Grupo de Magnetismo del NIST, nota que, "El trabajo sobre sensores magnéticos codificados geométricamente de Gary Zabow y sus colegas es una extensión natural de la investigación publicada por el equipo, junto con John Moreland de NIST, en 2008. Ese trabajo mostró cómo los microimanes pueden actuar como 'etiquetas inteligentes' para identificar potencialmente células particulares, tejidos o condiciones fisiológicas. Funcionalmente los GEMS en el esfuerzo actual están más avanzados en el sentido de que cambian su forma en respuesta a los estímulos; por lo tanto, actúan como dispositivos de medición. El próximo desafío será la optimización del diseño y el desarrollo de procesos de fabricación a gran escala para que estos sensores estén ampliamente disponibles para los investigadores ".