Uma equipe de pesquisa demonstrou como nanopartículas emissoras de luz, desenvolvido no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), pode ser usado para ver profundamente no tecido vivo.

As nanopartículas especialmente projetadas podem ser excitadas por luz laser de potência ultrabaixa em comprimentos de onda próximos ao infravermelho considerados seguros para o corpo humano. Eles absorvem essa luz e, em seguida, emitem luz visível que pode ser medida por equipamentos de imagem padrão.

O desenvolvimento e a aplicação de imagem biológica dessas nanopartículas são detalhados em um estudo publicado online em 6 de agosto em Nature Communications .

Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais essas chamadas nanopartículas de conversão ascendente em liga, ou aUCNPs, para que eles possam se anexar a componentes específicos de células para servir em um sistema de imagem avançado para iluminar até mesmo células cancerosas individuais, por exemplo. Tal sistema pode, em última análise, orientar cirurgias de alta precisão e tratamentos de radiação, e ajudam a apagar até mesmo vestígios muito pequenos de câncer.

"Com um laser ainda mais fraco do que um apontador laser verde padrão, podemos imaginar profundamente no tecido, "disse Bruce Cohen, que faz parte de uma equipe científica no Berkeley Lab's Molecular Foundry que está trabalhando com pesquisadores da UC San Francisco para adaptar as nanopartículas para uso médico. A Molecular Foundry é um escritório do DOE of Science User Facility especializado em pesquisa em nanociências - acessível a cientistas visitantes de todo o país e do mundo.

Cohen observou que alguns sistemas de imagem existentes usam luz laser de alta potência que corre o risco de danificar as células.

"O desafio é:como podemos criar imagens de sistemas vivos em alta sensibilidade sem danificá-los? Essa combinação de luz de baixa energia e baixa potência de laser é o que todos no campo vêm trabalhando há algum tempo, ", disse ele. A potência do laser necessária para os aUCNPs é milhões de vezes menor do que a potência necessária para as sondas convencionais de imagem no infravermelho.

Neste último estudo, pesquisadores demonstraram como os aUCNPs podem ser visualizados em tecido de camundongo vivo a vários milímetros de profundidade. Eles estavam excitados com lasers fracos o suficiente para não causar nenhum dano.

Os pesquisadores injetaram nanopartículas nas almofadas de gordura mamária de camundongos e gravaram imagens da luz emitida pelas partículas, que não pareceu representar qualquer toxicidade para as células.

Mais testes serão necessários para saber se os aUCNPs produzidos no Berkeley Lab podem ser injetados com segurança em humanos, e para testar revestimentos, os cientistas do Berkeley Lab estão projetando para se ligar especificamente a células cancerosas.

Dr. Mekhail Anwar, um oncologista de radiação e um professor assistente da UC San Francisco que participou do último estudo, observaram que existem inúmeras técnicas de varredura médica para localizar cânceres - de mamografias a ressonâncias magnéticas e PET-TC - mas essas técnicas podem carecer de detalhes precisos em escalas muito pequenas.

"Nós realmente precisamos saber exatamente onde cada célula cancerosa está, "disse Anwar, um usuário da Foundry que colabora com os cientistas da Molecular Foundry em suas pesquisas. "Normalmente dizemos que você tem sorte quando o pegamos cedo e o câncer tem apenas cerca de um centímetro - isso é cerca de 1 bilhão de células. Mas onde estão se escondendo os grupos menores de células?"

O trabalho futuro na Molecular Foundry levará, com sorte, a melhores técnicas para o câncer de imagem usando os aUCNPs, ele disse, e os pesquisadores estão desenvolvendo um sensor de imagem para se integrar a nanopartículas que podem ser conectadas a equipamentos cirúrgicos e até mesmo a luvas cirúrgicas para localizar pontos de câncer durante procedimentos cirúrgicos.

Um grande avanço no desenvolvimento de UCNPs do laboratório foi encontrar maneiras de aumentar sua eficiência na emissão da luz absorvida em energias mais altas, disse Emory Chan, um cientista da equipe da Molecular Foundry que também participou do último estudo.

Por décadas, a comunidade de pesquisa acreditava que a melhor maneira de produzir esses chamados materiais de conversão ascendente era implantá-los ou "dopá-los" com uma baixa concentração de metais conhecidos como lantanídeos. Muitos desses metais, pesquisadores acreditaram, faria com que a luz que eles emitem se tornasse menos brilhante com mais desses metais adicionados.

Mas experimentos conduzidos pelos pesquisadores da Molecular Foundry Bining "Bella" Tian e Angel Fernandez-Bravo, que fez UCNPs ricos em lantanídeos e mediu suas propriedades, derrubou esse entendimento prevalecente.

Estudos de UCNPs individuais provaram ser especialmente valiosos para mostrar que o érbio, um lantanídeo que se pensava que desempenhava apenas um papel na emissão de luz, também pode absorver luz diretamente e liberar outro lantanídeo, itérbio, para absorver mais luz. Emory Chan, um cientista da equipe da Molecular Foundry que também participou do último estudo, descreveu o papel multitarefa recém-descoberto do érbio nos UCNPs como uma "ameaça tripla".

Os UCNPs usados ​​no último estudo medem cerca de 12-15 nanômetros (bilionésimos de um metro) de diâmetro - pequeno o suficiente para permitir que penetrem no tecido. "Suas cascas crescem como uma cebola, uma camada de cada vez, "Chan disse.

Jim Schuck, um participante do estudo e ex-cientista do Berkeley Lab agora na Columbia University, observou que o último estudo se baseia em um esforço de uma década na Fundição Molecular para entender, redesenhar, e encontrar novos aplicativos para UCNPs.

"Este novo paradigma no design do UCNP, o que leva a partículas muito mais brilhantes, é uma verdadeira virada de jogo para todos os aplicativos de imagem de UCNP único, " ele disse.

Pesquisadores da Molecular Foundry trabalharão em maneiras de automatizar a fabricação das nanopartículas com robôs, e revesti-los com marcadores que se ligam seletivamente às células cancerosas.

Cohen disse que o trabalho colaborativo com UCSF abriu novos caminhos de exploração para UCNPs, e ele espera que o esforço de pesquisa cresça.

"Nunca teríamos pensado em usar isso para imagens durante as cirurgias, ", disse ele." Trabalhar com pesquisadores como Mekhail abre esta maravilhosa polinização cruzada de diferentes campos e diferentes ideias. "

Anwar disse, "Estamos muito gratos por ter acesso ao conhecimento e ampla gama de instrumentação" na Fundição Molecular do Laboratório.