Si bien a muchas personas les encantan las fotografías coloridas de paisajes, flores o arcoiris, algunos investigadores biomédicos atesoran imágenes vívidas en una escala mucho más pequeña, tan diminutas como una milésima parte del ancho de un cabello humano.

Estudiar el micromundo y ayudar a promover el conocimiento y los tratamientos médicos, estos científicos utilizan nanopartículas fluorescentes.

Los puntos cuánticos son un tipo de nanopartícula, más conocido por su uso en pantallas de televisión. Son cristales súper diminutos que pueden transportar electrones. Cuando la luz ultravioleta incide en estas partículas semiconductoras, pueden emitir luz de varios colores.

Esa fluorescencia permite a los científicos usarlos para estudiar partes ocultas o crípticas de las células. órganos y otras estructuras.

Soy parte de un grupo de investigadores en nanotecnología y neurociencia de la Universidad de Washington que investiga cómo se comportan los puntos cuánticos en el cerebro.

Se estima que las enfermedades cerebrales comunes cuestan a los EE. UU. Cerca de 800 mil millones de dólares anuales. Estas enfermedades, incluida la enfermedad de Alzheimer y los trastornos del desarrollo neurológico, son difíciles de diagnosticar o tratar.

Herramientas a nanoescala, como puntos cuánticos, que pueden captar los matices en las actividades celulares complicadas son prometedoras como herramientas de imágenes cerebrales o portadores de administración de fármacos para el cerebro. Pero debido a que hay muchas razones para preocuparse por su uso en medicina, principalmente relacionados con la salud y la seguridad, es importante saber más sobre cómo funcionan en los sistemas biológicos.

Puntos cuánticos como tintes de próxima generación

Los investigadores descubrieron por primera vez los puntos cuánticos en la década de 1980. Estas diminutas partículas se diferencian de otros cristales en que pueden producir diferentes colores según su tamaño. Son tan pequeños que a veces se les llama átomos artificiales o de dimensión cero.

El uso más comúnmente conocido de puntos cuánticos en la actualidad puede ser pantallas de televisión. Samsung lanzó sus televisores QLED en 2015, y algunas otras empresas siguieron poco después. Pero los científicos han estado observando los puntos cuánticos durante casi una década. Debido a sus propiedades ópticas únicas, pueden producir miles de colores fluorescentes nítidos:los científicos comenzaron a usarlos como sensores ópticos o sondas de imágenes, particularmente en la investigación médica.

Los científicos han utilizado durante mucho tiempo varios tintes para marcar células, órganos y otros tejidos para ver el funcionamiento interno del cuerpo, ya sea para diagnóstico o para investigación fundamental.

Los tintes más comunes tienen algunos problemas importantes. Para uno, su color a menudo no puede sobrevivir mucho tiempo en células o tejidos. Pueden desaparecer en cuestión de segundos o minutos. Para algunos tipos de investigación, como rastrear comportamientos celulares o administrar medicamentos en el cuerpo, estos tintes orgánicos simplemente no duran lo suficiente.

Los puntos cuánticos resolverían esos problemas. Son muy brillantes y se desvanecen muy lentamente. Su color aún puede destacarse después de un mes. Es más, son demasiado pequeños para afectar físicamente el movimiento de células o moléculas.

Esas propiedades hacen que los puntos cuánticos sean populares en la investigación médica. Hoy en día, los puntos cuánticos se utilizan principalmente para imágenes en 3-D de alta resolución de células o moléculas, o sondas de seguimiento en tiempo real dentro o fuera de los cuerpos de los animales que pueden durar un período prolongado.

Pero su uso todavía está restringido a la investigación con animales, porque los científicos están preocupados por su uso en seres humanos. Los puntos cuánticos comúnmente contienen cadmio, un metal pesado que es altamente venenoso y cancerígeno. Pueden filtrar el metal tóxico o formar un agregado inestable, causando muerte celular e inflamación. Algunos órganos pueden tolerar una pequeña cantidad de esto, pero el cerebro no puede soportar tal daño.

Cómo se comportan los puntos cuánticos en el cerebro

Mis colegas y yo creemos que un primer paso importante hacia un uso más amplio de los puntos cuánticos en la medicina es comprender cómo se comportan en entornos biológicos. Eso podría ayudar a los científicos a diseñar puntos cuánticos adecuados para la investigación y el diagnóstico médicos:cuando se inyectan en el cuerpo, necesitan permanecer pequeñas partículas, no ser muy tóxico y capaz de apuntar a tipos específicos de células.

Miramos la estabilidad, toxicidad e interacciones celulares de puntos cuánticos en el cerebro en desarrollo de ratas. Envolvimos los diminutos puntos cuánticos en diferentes "capas" químicas. Los científicos creen que estos abrigos con sus diversas propiedades químicas, controlar la forma en que los puntos cuánticos interactúan con el entorno biológico que los rodea. Luego evaluamos el rendimiento de los puntos cuánticos en tres modelos relacionados con el cerebro de uso común:cultivos celulares, cortes de cerebro de rata y ratas vivas individuales.

Descubrimos que diferentes capas químicas dan a los puntos cuánticos comportamientos diferentes. Los puntos cuánticos con una capa de polímero de polietilenglicol (PEG) fueron los más prometedores. Son más estables y menos tóxicos en el cerebro de las ratas. y en una cierta dosis no mata las células. Resulta que los puntos cuánticos recubiertos de PEG activan una vía biológica que acelera la producción de una molécula que desintoxica el metal. Es un mecanismo de protección incrustado en las células que evita lesiones por puntos cuánticos.

Los puntos cuánticos también son "devorados" por la microglía, las células inmunitarias internas del cerebro. Estas células regulan la inflamación en el cerebro y están involucradas en múltiples trastornos cerebrales. Luego, los puntos cuánticos se transportan a los lisosomas de la microglia, los cubos de basura de la celda, por degradación.

Pero también descubrimos que los comportamientos de los puntos cuánticos varían ligeramente entre cultivos celulares, cortes de cerebro y animales vivos. Los modelos simplificados pueden demostrar cómo responde una parte del cerebro, pero no sustituyen a todo el órgano.

Por ejemplo, Los cultivos celulares contienen células cerebrales pero carecen de las redes celulares conectadas que tienen los tejidos. Los cortes de cerebro tienen más estructura que los cultivos celulares, pero también carecen de la barrera hematoencefálica del órgano completo, su "Gran Muralla" que evita la entrada de objetos extraños.

¿Cuál es el futuro de los puntos cuánticos?

Nuestros resultados ofrecen una advertencia:la investigación de la nanomedicina en el cerebro no tiene sentido sin considerar cuidadosamente la complejidad del órgano.

Dicho eso Creemos que nuestros hallazgos pueden ayudar a los investigadores a diseñar puntos cuánticos que sean más adecuados para su uso en cerebros vivos. Por ejemplo, Nuestra investigación muestra que los puntos cuánticos recubiertos de PEG permanecen estables y relativamente no tóxicos en el tejido cerebral vivo mientras tienen un gran rendimiento de imagen. Imaginamos que podrían usarse para rastrear los movimientos en tiempo real de virus o células en el cerebro.

En el futuro, junto con resonancias magnéticas o tomografías computarizadas, los puntos cuánticos pueden convertirse en herramientas de imagen vitales. También podrían usarse como portadores rastreables que administran medicamentos a células específicas. Por último, aunque, para que los puntos cuánticos se den cuenta de su potencial biomédico más allá de la investigación, los científicos deben abordar los problemas de salud y seguridad.

Aunque queda un largo camino por recorrer, Mis colegas y yo esperamos que el futuro de los puntos cuánticos sea tan brillante y colorido como los propios átomos artificiales.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.