Imagine una píldora de oro microscópica que podría viajar a un lugar específico de su cuerpo y administrar un medicamento justo donde se necesita. Ésta es la promesa de las nanovesículas plasmónicas.

Estas diminutas cápsulas pueden navegar por el torrente sanguíneo, y, cuando se golpea con un pulso rápido de luz láser, cambiar de forma para liberar su contenido. Entonces puede salir del cuerpo, dejando solo el paquete deseado.

Esto a pedido, El método de liberación de fármacos activado por la luz podría transformar la medicina, especialmente el tratamiento del cáncer. Los médicos están comenzando a probar nanovesículas plasmónicas en tumores de cabeza y cuello. También pueden ayudar a los esfuerzos por estudiar el sistema nervioso en tiempo real y proporcionar información sobre cómo funciona el cerebro.

Sin embargo, como muchos aspectos de la nanotecnología, El diablo está en los detalles. Aún se desconoce mucho sobre el comportamiento específico de estas nanopartículas, por ejemplo, las longitudes de onda de la luz a las que responden y la mejor forma de diseñarlas.

Escribiendo en la edición de octubre de 2017 de Materiales ópticos avanzados , Zhenpeng Qin, profesor asistente de Ingeniería Mecánica y Bioingeniería en la Universidad de Texas en Dallas, su equipo, y colaboradores de la Universidad de Reims (Dra. Jaona Randrianalisoa), informó de los resultados de investigaciones computacionales sobre las propiedades ópticas colectivas de vesículas plasmónicas complejas.

Usaron las supercomputadoras Stampede y Lonestar en el Centro de Computación Avanzada de Texas, así como sistemas en el ROMEO Computing Center en la Universidad de Reims Champagne-Ardenne y el San Diego Supercomputing Center (a través del Extreme Science and Engineering Discovery Environment) para realizar experimentos virtuales a gran escala de vesículas impactadas por la luz.

"Mucha gente fabrica nanopartículas y las observa mediante microscopía electrónica, "Dijo Qin." Pero los cálculos nos dan un ángulo único al problema. Proporcionan una mejor comprensión de las interacciones y conocimientos fundamentales para que podamos diseñar mejor estas partículas para aplicaciones específicas ".

Sorprendente oro biomédico

Las nanopartículas de oro son un ejemplo prometedor de nanomaterial plasmónico. A diferencia de las sustancias normales, Las nanopartículas plasmónicas (típicamente hechas de metales nobles) tienen una dispersión inusual, absorbancia y propiedades de acoplamiento debido a sus geometrías y características electromagnéticas. Una consecuencia de esto es que interactúan fuertemente con la luz y pueden calentarse con luz visible y ultravioleta. incluso a distancia, conduciendo a cambios estructurales en las partículas, desde el derretimiento hasta la expansión y la fragmentación.

Se ha demostrado que los liposomas recubiertos de nanopartículas de oro (sacos esféricos que encierran un núcleo acuoso que se pueden usar para transportar medicamentos u otras sustancias a los tejidos) son agentes prometedores para la liberación de contenido inducida por la luz. Pero estas nanopartículas deben poder limpiar el cuerpo a través del sistema renal, lo que limita el tamaño de las nanopartículas a menos de unos pocos nanómetros.

La forma específica de la nanopartícula, por ejemplo, qué tan cerca están las moléculas de oro individuales, qué tan grande es el núcleo, y el tamaño, forma, densidad y condiciones de la superficie de la nanopartícula:determina cómo, y que bien las funciones de las nanopartículas y cómo se pueden manipular.

Qin ha centrado su atención en los últimos años en la dinámica de los grupos de pequeñas nanopartículas de oro con núcleos de liposomas. y sus aplicaciones tanto en áreas diagnósticas como terapéuticas.

"Si colocamos las nanopartículas alrededor de una nano-vesícula, podemos usar luz láser para abrir la vesícula y liberar moléculas de interés, ", explicó." Tenemos la capacidad de ensamblar un número diferente de partículas alrededor de una vesícula recubriendo la vesícula con una capa de partículas muy pequeñas. ¿Cómo podemos diseñar esta estructura? Es un problema bastante interesante y complejo. ¿Cómo interactúan las nanopartículas entre sí? ¿Qué tan lejos están las unas de las otras? ¿cuántos hay?"

Las simulaciones proporcionan conocimientos fundamentales y prácticos

Para obtener información sobre las formas en que funcionan las nanopartículas plasmónicas y cómo se pueden diseñar de manera óptima, Qin y sus colegas utilizan la simulación por computadora además de los experimentos de laboratorio.

En su estudio reciente, Qin y su equipo simularon varios tamaños de núcleos de liposomas, tamaños de recubrimiento de nanopartículas de oro, una amplia gama de densidades de recubrimiento, y organizaciones de recubrimientos al azar versus uniformes. Los recubrimientos incluyen varios cientos de partículas de oro individuales, que se comportan colectivamente.

"Es muy sencillo simular una partícula. Puede hacerlo en una computadora normal, pero somos uno de los primeros en investigar una vesícula compleja, "Es realmente emocionante observar cómo los agregados de nanopartículas que rodean el núcleo lipídico modifican colectivamente la respuesta óptica del sistema", dijo Randrianalisoa.

El equipo utilizó el método de cálculo de aproximación de dipolo discreto (DDA) para hacer predicciones de las características de absorción óptica de los sistemas de liposomas recubiertos de oro. DDA permite calcular la dispersión de radiación por partículas de forma y organización arbitrarias. El método tiene la ventaja de permitir al equipo diseñar nuevas formas y estructuras complejas y determinar cuantitativamente cuáles serán sus características de absorción óptica.

Los investigadores encontraron que las nanopartículas de oro que componen la superficie exterior deben estar lo suficientemente juntas, o incluso superpuestos, para absorber suficiente luz para que el sistema de administración sea eficaz. Identificaron un rango intermedio de condiciones ópticas denominado "régimen de oro negro, "donde las nanopartículas de oro compactas responden a la luz en todas las longitudes de onda, que puede ser muy útil para una variedad de aplicaciones.

"Nos gustaría desarrollar partículas que interactúen con la luz en el rango del infrarrojo cercano, con longitudes de onda de alrededor de 700 a 900 nanómetros, para que tengan una penetración más profunda en el tejido, "Explicó Qin.

Anticiparon que este estudio proporcionará pautas de diseño para nano-ingenieros y tendrá un impacto significativo en el desarrollo futuro de nanoestructuras plasmónicas complejas y vesículas para aplicaciones biomédicas.

(En un estudio separado publicado en ACS Sensors en octubre de 2017, Qin y colaboradores demostraron la efectividad de las nanopartículas de oro para ensayos que detectan enfermedades infecciosas y otros objetivos biológicos y químicos).

Inspirado por desarrollos recientes en optogenética, que usa la luz para controlar las células (típicamente neuronas) en los tejidos vivos, Qin y su equipo planean utilizar la tecnología para desarrollar un sistema versátil activado ópticamente para realizar estudios en tiempo real de la actividad y el comportamiento del cerebro.

Espera que la función de liberación rápida de la nueva técnica proporcione la velocidad suficiente para estudiar la comunicación neuronal en la investigación de la neurociencia.

"Hay muchas oportunidades para usar cálculos para comprender las interacciones y los mecanismos fundamentales que no podemos medir, ", Dijo Qin." Eso puede retroalimentar nuestra investigación experimental para que podamos avanzar mejor en estas diferentes técnicas para ayudar a las personas ".