Cientistas que trabalham no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e nos Institutos Nacionais de Saúde desenvolveram e demonstraram um novo, sonda de mudança de forma, cerca de um centésimo da largura de um cabelo humano, que é capaz de sensível, sensoriamento remoto biológico de alta resolução que não é possível com a tecnologia atual. Se eventualmente colocado em uso generalizado, o design pode ter um grande impacto na pesquisa em medicina, química, biologia e engenharia. Em última análise, pode ser usado em diagnósticos clínicos.

A data, a maioria dos esforços para obter imagens de condições bioquímicas altamente localizadas, como pH * anormal e concentração de íons - marcadores críticos para muitos distúrbios - dependem de vários nanosensores que são sondados usando luz em frequências ópticas. Mas a sensibilidade e a resolução dos sinais ópticos resultantes diminuem rapidamente com o aumento da profundidade no corpo. Isso limitou a maioria dos aplicativos a menos obscurecidos, regiões mais acessíveis opticamente.

Os novos dispositivos de sonda que mudam de forma, descrito online no jornal Natureza , ** não estão sujeitos a essas limitações. Eles tornam possível detectar e medir condições localizadas na escala molecular nas profundezas dos tecidos, e observar como eles mudam em tempo real.

"Nosso projeto é baseado em princípios operacionais completamente diferentes, "diz Gary Zabow do NIST, que liderou a pesquisa com os colegas do NIH, Stephen Dodd e Alan Koretsky. "Em vez de detecção com base óptica, as sondas que mudam de forma são projetadas para operar no espectro de radiofrequência (RF), especificamente para ser detectável com equipamento padrão de ressonância magnética nuclear (NMR) ou ressonância magnética (MRI). Nessas faixas de RF, sinais são, por exemplo, não significativamente enfraquecido por materiais biológicos intervenientes. "

Como resultado, eles podem ficar fortes, sinais distintos de dimensões muito pequenas em profundidades substanciais ou em outros locais impossíveis de sondar com sensores de base óptica.

Os novos dispositivos, chamados sensores magnéticos geometricamente codificados (GEMs), são sanduíches de metal-gel microengenharia cerca de 5 a 10 vezes menores do que um único glóbulo vermelho, uma das menores células humanas. Cada um consiste em dois discos magnéticos separados que variam de 0,5 a 2 micrômetros (milionésimos de um metro) de diâmetro e têm apenas dezenas de nanômetros (bilionésimos de um metro) de espessura.

Entre os discos está uma camada espaçadora de hidrogel, uma rede de polímero que pode absorver água e se expandir significativamente; a quantidade de expansão depende das propriedades químicas do gel e do ambiente ao seu redor. Por outro lado, também pode encolher em resposta às mudanças nas condições locais. O inchaço ou encolhimento do gel muda a distância (e, portanto, a força do campo magnético) entre os dois discos, e essa, por sua vez, muda a frequência com que os prótons nas moléculas de água ao redor e dentro do gel ressoam em resposta à radiação de radiofrequência. A varredura da amostra com uma gama de frequências identifica rapidamente a forma atual das nanossondas, medir efetivamente as condições remotas por meio das mudanças nas frequências de ressonância causadas pelos agentes de mudança de forma.

Nos experimentos relatados em Natureza , os cientistas testaram os sensores em soluções de pH variável, em soluções com gradientes de concentração de íons, e em um meio de crescimento líquido contendo células renais caninas vivas à medida que seu metabolismo passava de normal para não funcional na ausência de oxigênio. Esse fenômeno fez com que o meio de crescimento se acidificasse, e a mudança ao longo do tempo foi detectada pelos GEMs e registrada por meio de mudanças em tempo real nas frequências de ressonância. Mesmo para os não otimizados, sondas de primeira geração usadas, as mudanças de freqüência resultantes de mudanças no pH foram facilmente resolvidas e ordens de magnitude maiores do que qualquer mudança de freqüência equivalente observada através de abordagens tradicionais de espectroscopia de ressonância magnética.

Rastrear valores de pH altamente localizados em organismos vivos pode ser difícil. (Um exame de sangue não pode necessariamente fazer isso porque a amostra mistura sangue de vários locais.) No entanto, as mudanças locais de pH podem fornecer sinais precoces inestimáveis ​​de muitas patologias. Por exemplo, o pH em torno de uma célula cancerosa é ligeiramente inferior ao normal, e a inflamação interna geralmente leva à mudança local no nível de pH. A detecção de tais mudanças pode revelar, por exemplo, a presença de um tumor invisível ou mostrar se uma infecção se desenvolveu em torno de um implante cirúrgico.

"Claro, esse tipo de uso potencial em organismos vivos ainda está muito longe, "Zabow disse." Nossos dados foram coletados in vitro. E algumas aplicações potenciais dos sensores podem não ser biológicas. Mas uma meta de longo prazo é melhorar nossas técnicas até o ponto em que as GEMs possam ser empregadas para usos biomédicos. "

Isso exigiria, entre outras coisas, maior miniaturização. Os GEMs de 0,5 a 2 µm de diâmetro nos experimentos já são pequenos o suficiente para muitas aplicações in vitro e outras possíveis aplicações não biológicas, bem como, possivelmente, para algumas aplicações relacionadas a células in vivo. Mas as estimativas preliminares dos experimentadores indicam que os sensores podem ser reduzidos substancialmente de seu tamanho atual, e pode concebivelmente ser menor do que 100 nanômetros de diâmetro. Isso abriria muitas aplicações biomédicas adicionais.

Uma das características mais significativas dos GEMs é que eles podem ser "ajustados" na fabricação para responder a diferentes estados bioquímicos e ressoar em diferentes partes do espectro de RF, alterando a composição do gel e as formas e materiais do ímã, respectivamente. Portanto, colocar duas populações diferentes de GEMs no mesmo local torna possível rastrear mudanças em duas variáveis ​​diferentes ao mesmo tempo - uma capacidade que os pesquisadores demonstraram colocando GEMs com duas dimensões diferentes no mesmo local e detectando os sinais de ambas simultaneamente.

"A ideia é que você possa projetar diferentes sensores para medir coisas diferentes, medir efetivamente um painel de biomarcadores potenciais simultaneamente, ao invés de apenas um, para melhor diferenciar entre as diferentes patologias, "Zabow diz." Acreditamos que esses sensores podem ser potencialmente adaptados para medir uma variedade de biomarcadores diferentes, possivelmente incluindo coisas como glicose, temperaturas locais, várias concentrações de íons, possivelmente a presença ou ausência de várias enzimas e assim por diante. "

Ron Goldfarb, líder do Grupo Magnético do NIST, observa que, "o trabalho em sensores magnéticos codificados geometricamente por Gary Zabow e colegas é uma extensão natural da pesquisa publicada pela equipe, junto com John Moreland do NIST, em 2008. Esse trabalho mostrou como os microímãs podem atuar como 'marcas inteligentes' para potencialmente identificar células específicas, tecidos ou condições fisiológicas. Funcionalmente, os GEMS no esforço atual são mais avançados, pois mudam de forma em resposta a estímulos; portanto, eles atuam como dispositivos de medição. O próximo desafio será a otimização do projeto e o desenvolvimento de sistemas controlados dimensionalmente, processos de fabricação em grande escala, a fim de tornar esses sensores amplamente disponíveis para os pesquisadores. "