Un equipo de investigación ha demostrado cómo las nanopartículas emisoras de luz, desarrollado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), se puede utilizar para ver en profundidad en tejidos vivos.

Las nanopartículas especialmente diseñadas pueden excitarse con luz láser de potencia ultrabaja en longitudes de onda del infrarrojo cercano que se consideran seguras para el cuerpo humano. Absorben esta luz y luego emiten luz visible que se puede medir con un equipo de imágenes estándar.

El desarrollo y la aplicación de imágenes biológicas de estas nanopartículas se detalla en un estudio publicado en línea el 6 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza .

Los investigadores esperan desarrollar aún más estas nanopartículas de conversión ascendente aleadas, o aUCNP, para que puedan adherirse a componentes específicos de las células para servir en un sistema de imágenes avanzado para iluminar incluso las células cancerosas individuales, por ejemplo. Un sistema de este tipo puede, en última instancia, guiar cirugías de alta precisión y tratamientos de radiación, y ayudar a borrar incluso los rastros más pequeños de cáncer.

"Con un láser aún más débil que un puntero láser verde estándar, podemos visualizar profundamente en el tejido, "dijo Bruce Cohen, quien es parte de un equipo científico en la Fundición Molecular de Berkeley Lab que está trabajando con investigadores de UC San Francisco para adaptar las nanopartículas para usos médicos. Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que se especializa en investigación en nanociencia; es accesible para científicos visitantes de todo el país y el mundo.

Cohen señaló que algunos sistemas de imágenes existentes utilizan luz láser de mayor potencia que corre el riesgo de dañar las células.

"El desafío es:¿Cómo podemos obtener imágenes de los sistemas vivos con alta sensibilidad sin dañarlos? Esta combinación de luz de baja energía y poderes de láser bajo es lo que todos en el campo han estado trabajando durante un tiempo, ", dijo. La potencia del láser necesaria para los aUCNP es millones de veces menor que la potencia necesaria para las sondas convencionales de imágenes en el infrarrojo cercano.

En este último estudio, Los investigadores han demostrado cómo se pueden obtener imágenes de los aUCNP en tejido vivo de ratón a varios milímetros de profundidad. Estaban excitados con láseres lo suficientemente débiles como para no causar ningún daño.

Los investigadores inyectaron nanopartículas en las almohadillas de grasa mamaria de los ratones y registraron imágenes de la luz emitida por las partículas. que no parece presentar ninguna toxicidad para las células.

Se necesitarán más pruebas para saber si los aUCNP producidos en Berkeley Lab se pueden inyectar de manera segura en humanos. y para probar recubrimientos que los científicos de Berkeley Lab están diseñando para unirse específicamente a células cancerosas.

Dr. Mekhail Anwar, un oncólogo radiólogo y profesor asistente en UC San Francisco que participó en el último estudio, señaló que existen numerosas técnicas de exploración médica para localizar cánceres, desde mamografías hasta resonancias magnéticas y exploraciones PET-CT, pero estas técnicas pueden carecer de detalles precisos a escalas muy pequeñas.

"Realmente necesitamos saber exactamente dónde está cada célula cancerosa, "dijo Anwar, un usuario de Foundry que colabora con científicos de Molecular Foundry en su investigación. "Por lo general, decimos que tiene suerte cuando lo detectamos temprano y el cáncer solo mide aproximadamente un centímetro, eso es aproximadamente mil millones de células. Pero, ¿dónde se esconden los grupos más pequeños de células?"

Es de esperar que el trabajo futuro en Molecular Foundry conduzca a técnicas mejoradas para la obtención de imágenes del cáncer utilizando los aUCNP, él dijo, y los investigadores están desarrollando un sensor de imágenes para integrarlo con nanopartículas que podrían unirse al equipo quirúrgico e incluso a los guantes quirúrgicos para identificar los puntos calientes del cáncer durante los procedimientos quirúrgicos.

Un gran avance en el desarrollo de UCNP del laboratorio fue encontrar formas de aumentar su eficiencia en la emisión de la luz absorbida a energías más altas, dijo Emory Chan, un científico del personal de Molecular Foundry que también participó en el último estudio.

Por décadas, la comunidad de investigadores había creído que la mejor manera de producir estos materiales llamados de conversión ascendente era implantarlos o "doparlos" con una baja concentración de metales conocidos como lantánidos. Demasiados de estos metales, los investigadores habían creído, causaría que la luz que emiten se vuelva menos brillante con más de estos metales agregados.

Pero los experimentos dirigidos por los investigadores de Molecular Foundry Bining "Bella" Tian y Angel Fernandez-Bravo, que elaboraron UCNP ricos en lantánidos y midieron sus propiedades, trastornó este entendimiento prevaleciente.

Los estudios de UCNP individuales resultaron especialmente valiosos al demostrar que el erbio, un lantánido que antes se pensaba que solo desempeñaba un papel en la emisión de luz, también puede absorber directamente la luz y liberar otro lantánido, iterbio, para absorber más luz. Emory Chan, un científico del personal de Molecular Foundry que también participó en el último estudio, describió la función multitarea recién descubierta de erbium en las UCNP como una "triple amenaza".

Los UCNP utilizados en el último estudio miden entre 12 y 15 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho, lo suficientemente pequeños como para permitirles penetrar en los tejidos. "Sus cáscaras crecen como una cebolla, una capa a la vez, "Dijo Chan.

Jim Schuck, participante del estudio y ex científico del Berkeley Lab ahora en la Universidad de Columbia, señaló que el último estudio se basa en un esfuerzo de una década en Molecular Foundry para comprender, rediseño, y encontrar nuevas aplicaciones para UCNP.

"Este nuevo paradigma en el diseño UCNP, que conduce a partículas mucho más brillantes, es un verdadero cambio de juego para todas las aplicaciones de imágenes UCNP individuales, " él dijo.

Los investigadores de Molecular Foundry trabajarán en formas de automatizar la fabricación de nanopartículas con robots, y cubrirlos con marcadores que se unen selectivamente a las células cancerosas.

Cohen dijo que el trabajo colaborativo con UCSF ha abierto nuevas vías de exploración para UCNP, y espera que crezca el esfuerzo de investigación.

"Nunca hubiéramos pensado en utilizarlos para obtener imágenes durante las cirugías, ", dijo." Trabajar con investigadores como Mekhail abre esta maravillosa polinización cruzada de diferentes campos y diferentes ideas ".

Anwar dijo:"Estamos muy agradecidos de tener acceso al conocimiento y la amplia gama de instrumentación" en la Fundición Molecular del Laboratorio.