Imagine uma pílula de ouro microscópica que poderia viajar para um local específico em seu corpo e entregar um medicamento exatamente onde for necessário. Essa é a promessa das nanovesículas plasmônicas.

Essas cápsulas minúsculas podem navegar na corrente sanguínea, e, quando atingido por um pulso rápido de luz laser, mudar de forma para liberar seu conteúdo. Ele pode então sair do corpo, deixando apenas o pacote desejado.

Sob demanda, método de liberação de droga desencadeada por luz pode transformar a medicina, especialmente o tratamento do câncer. Os médicos estão começando a testar nanovesículas plasmônicas em tumores de cabeça e pescoço. Eles também podem ajudar nos esforços para estudar o sistema nervoso em tempo real e fornecer informações sobre como o cérebro funciona.

Contudo, como muitos aspectos da nanotecnologia, O diabo está nos detalhes. Muito permanece desconhecido sobre o comportamento específico dessas nanopartículas - por exemplo, os comprimentos de onda da luz aos quais eles respondem e a melhor forma de projetá-los.

Escrito na edição de outubro de 2017 de Materiais Óticos Avançados , Zhenpeng Qin, professor assistente de Engenharia Mecânica e Bioengenharia da Universidade do Texas em Dallas, o time dele, e colaboradores da Universidade de Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), relataram os resultados de investigações computacionais sobre as propriedades ópticas coletivas de vesículas plasmônicas complexas.

Eles usaram os supercomputadores Stampede e Lonestar no Texas Advanced Computing Center, bem como sistemas no ROMEO Computing Center na University of Reims Champagne-Ardenne e no San Diego Supercomputing Center (por meio do Extreme Science and Engineering Discovery Environment) para realizar experimentos virtuais em grande escala de vesículas atingidas pela luz.

"Muitas pessoas fazem nanopartículas e as observam usando microscopia eletrônica, "Qin disse." Mas os cálculos nos dão um ângulo único para o problema. Eles fornecem uma compreensão aprimorada das interações e percepções fundamentais para que possamos projetar melhor essas partículas para aplicações específicas. "

Impressionante ouro biomédico

Nanopartículas de ouro são um exemplo promissor de nanomaterial plasmônico. Ao contrário das substâncias normais, nanopartículas plasmônicas (normalmente feitas de metais nobres) têm dispersão incomum, absorbância, e propriedades de acoplamento devido às suas geometrias e características eletromagnéticas. Uma consequência disso é que eles interagem fortemente com a luz e podem ser aquecidos pela luz visível e ultravioleta, mesmo à distância, levando a mudanças estruturais nas partículas, da fusão à expansão à fragmentação.

Os lipossomas revestidos com nanopartículas de ouro - sacos esféricos envolvendo um núcleo aquoso que podem ser usados ​​para transportar drogas ou outras substâncias para os tecidos - foram demonstrados como agentes promissores para a liberação de conteúdo induzida pela luz. Mas essas nanopartículas precisam ser capazes de limpar o corpo através do sistema renal, o que limita o tamanho das nanopartículas a menos do que alguns nanômetros.

A forma específica da nanopartícula - por exemplo, quão próximas as moléculas de ouro individuais são, quão grande é o núcleo, e o tamanho, forma, densidade e condições de superfície da nanopartícula - determina como, e quão bem, as funções das nanopartículas e como podem ser manipuladas.

Qin voltou sua atenção nos últimos anos para a dinâmica de aglomerados de pequenas nanopartículas de ouro com núcleos de lipossomas, e suas aplicações em áreas diagnósticas e terapêuticas.

"Se colocarmos as nanopartículas em torno de uma nano-vesícula, podemos usar luz laser para abrir a vesícula e liberar moléculas de interesse, "ele explicou." Temos a capacidade de reunir um número diferente de partículas em torno de uma vesícula, revestindo a vesícula com uma camada de partículas muito pequenas. Como podemos projetar essa estrutura? É um problema bastante interessante e complexo. Como as nanopartículas interagem umas com as outras - a que distância elas estão separadas, quantos são? "

Simulações fornecem percepções práticas e fundamentais

Para obter insights sobre como as nanopartículas plasmônicas funcionam e como podem ser projetadas de maneira otimizada, Qin e seus colegas usam simulação de computador, além de experimentos de laboratório.

Em seu estudo recente, Qin e sua equipe simularam vários tamanhos de núcleos de lipossomas, tamanhos de revestimento de nanopartículas de ouro, uma ampla gama de densidades de revestimento, e organizações de revestimento aleatórias versus uniformes. Os revestimentos incluem várias centenas de partículas de ouro individuais, que se comportam coletivamente.

"É muito simples simular uma partícula. Você pode fazer isso em um computador comum, mas somos um dos primeiros a olhar para uma vesícula complexa, "Randrianalisoa disse." É realmente emocionante observar como os agregados de nanopartículas ao redor do núcleo lipídico modificam coletivamente a resposta óptica do sistema. "

A equipe usou o método de cálculo de aproximação de dipolo discreto (DDA) para fazer previsões das características de absorção óptica dos sistemas de lipossomas revestidos de ouro. O DDA permite calcular o espalhamento da radiação por partículas de forma e organização arbitrárias. O método tem a vantagem de permitir à equipe projetar novas formas e estruturas complexas e determinar quantitativamente quais serão suas características de absorção óptica.

Os pesquisadores descobriram que as nanopartículas de ouro que compõem a superfície externa precisam estar suficientemente próximas, ou mesmo sobrepostos, para absorver luz suficiente para que o sistema de distribuição seja eficaz. Eles identificaram uma gama intermediária de condições ópticas conhecidas como o "regime do ouro negro, "onde as nanopartículas de ouro fortemente compactadas respondem à luz em todos os comprimentos de onda, que pode ser muito útil para uma variedade de aplicações.

"Gostaríamos de desenvolver partículas que interajam com a luz na faixa do infravermelho próximo - com comprimentos de onda de cerca de 700 a 900 nanômetros - para que tenham uma penetração mais profunda no tecido, "Qin explicou.

Eles antecipam que este estudo fornecerá diretrizes de design para nanoengenheiros e terá um impacto significativo no desenvolvimento de nanoestruturas e vesículas plasmônicas complexas para aplicações biomédicas.

(Em um estudo separado publicado na ACS Sensors em outubro de 2017, Qin e colaboradores mostraram a eficácia das nanopartículas de ouro para ensaios que detectam doenças infecciosas e outros alvos biológicos e químicos.)

Inspirado por desenvolvimentos recentes em optogenética, que usa luz para controlar células (normalmente neurônios) em tecidos vivos, Qin e sua equipe planejam usar a tecnologia para desenvolver um sistema versátil opticamente acionado para realizar estudos em tempo real da atividade cerebral e do comportamento.

Ele espera que o recurso de liberação rápida da nova técnica forneça velocidade suficiente para estudar a comunicação neuronal na pesquisa em neurociência.

"Existem muitas oportunidades de usar cálculos para entender as interações e mecanismos fundamentais que não podemos medir, "Qin disse." Isso pode alimentar nossa pesquisa experimental para que possamos avançar melhor essas diferentes técnicas para ajudar as pessoas. "