Применение квантовых точек в биомедицине / Применение квантовых точек в биомедицине

4

Применение квантовых точек в биомедицине

Применение нанотехнологий в биомедицине положило начало бурно развивающейся области науки и технологий, создав так называемую наномедицину. Это стало возможным после того, как были открыты применения наноматериалов и нанотехнологий к исследованию биологических систем, методам анализа и диагностики биологических систем, а также терапевтическим методам.

Свой доклад я построил на основе обзорной статьи, название которой приведено на слайде, посвящённой рассмотрению направлений применения квантовых точек в области биомедицины.

Квантовые точки, в литературе используется сокращение QD(s) (а на рус. КТ), являются полупроводниковыми нанокристаллами, обладающими целым рядом специфичных оптических и электрических свойств, которые возникают в результате существенного проявления квантово-механических свойств таких наноструктурированных систем.

Одним из самых значимых свойств квантовых точек является их дискретный энергетический спектр подобный спектру отдельного атома из-за чего квантовые точки также называют искусственными атомами. Благодаря такому свойству квантовые точки способны люминесцировать при возбуждении.

Свойства квантовых точек определяются их размерами, формой и материалами, из которых они сделаны. Основное преимущество квантовой точки заключается в возможности высокоточного контроля над её размером, и, как следствие, над её проводимостью, что позволяет создавать люминесцирующие материалы разных цветов из одного и того же материала по одной методике. Например, квантовая точка размером 2 нм может излучать голубой свет, трёхнанометровая квантовая точка – зелёный, а шестинанометровая – красный. К тому же квантовые точки обладают широким спектром поглощения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения.

Квантовые точки состоят из ядра и защитной оболочки(-ек) из материала с более широкой запрещённой зоной, что приводит к уменьшению дефектов на поверхности ядра, к повышению яркости свечения до 90 % и предотвращению деградации квантовой точки, а также высвобождению токсичных ионов кадмия.

Прежде чем применять квантовые точки их сначала нужно получить. Основной схемой получения квантовых точек является их сборка из молекулярных прекурсоров в нанокристаллы. Это может быть осуществлено с помощью различных физических и химических подходов, которые можно разделить на два больших класса: коллоидные (иначе жидкофазные) и эпитаксиальные (или газофазные) методы. Из основных методов можно выделить:

• коллоидный синтез – основан на введении металлов-прекурсоров в растворитель при высокой температуре, чтобы перевести их в молекулярное состояние с последующим ростом нанокристаллов;

• плазменный синтез – одни из самых популярных газофазных методов; квантовые точки, синтезированные в плазме, обычно находятся в форме порошка.

Также к газофазным методам можно отнести метод молекулярно-лучевой эпитаксии, которым выращивают квантовые точки и гетероструктуры на нашей кафедре (Солодовник Максим Сергеевич).

Для биомедицинского применения характерно применение других методов синтеза, к основным относятся:

• синтез на основе биошаблонов – метод, в котором биомакромолекулы, такие как ДНК, РНК, пептиды или вирусы, например бактериофаги, используются в качестве биоповерхностей для сборки молекул-прекурсоров, из которых будут собираться КТ;

• электрохимический синтез является дополнительным подходом для получения КТ, в котором электрохимические силы используются для приведения в движение сборки молекул-прекурсоров в нанокристаллы;

• биогенный синтез – это новый биотехнологический подход, в котором живые микроорганизмы, такие как кишечная палочка, используются в качестве биореакторов для синтеза КТ, таких как CdS (сульфид кадмия).

Характеризация полученных КТ в биомедицинском применении для внутриклеточного отслеживания используют флуоресцентные микроскопические технологии, такие как флуоресцентная микроскопия и конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM). Кроме того, биораспределение КТ в организме экспериментальных животных можно визуализировать с помощью различных систем визуализации in vivo (IVIS).

Оптические свойства КТ и их зависимость от размера и состава нанокристаллов позволяют создавать из них отличные флуоресцентные зонды для различных типов биомедицинской визуализации, например, для визуализации внутриклеточных компонентов: органелл, макромолекул, а также протекания различных микробиологических процессов.

Введение КТ внутрь клетки осуществляется через мембрану клетки, поскольку они имеют малые, нанометровые размеры. Впоследствии нанокристаллы могут быть возбуждены, а спектры эмиссии легко обнаруживаются с помощью флуоресцентных микроскопов. Более того, КТ также применяются для визуализации различных органов и тканей in vivo.

Другим применением является флуоресцентно-активированная сортировка клеток (сокр. ФАСК). ФАСК является широко используемой технологией для широкого спектра биомедицинских приложений, включая оценку поглощения клетками систем доставки лекарств, выделение отдельных популяций клеток, характеристику моделей некоторых заболеваний, обнаружение клеточных маркеров и картирование иммунных клеток. КТ обладают высоким потенциалом для применения в качестве флуоресцентных меток в ФАСК благодаря нескольким особенностям. По сравнению с используемыми в настоящее время органическими красителями, КТ имеют узкие спектры излучения, что уменьшает наложение и увеличивает возможность включения нескольких меток для полихроматической сортировки клеток с помощью ФАСК. Напротив, их широкие спектры возбуждения облегчают использование одного лазерного луча для возбуждения нескольких КТ зондов.

Следующим применением является фотодинамическая терапия (сокр. ФДТ). ФДТ была представлена как перспективная стратегия лечения различных видов рака, включая рак кожи, головы и шеи, языка и молочной железы. Подход основан на том, что в раковые клетки вводят специальное вещество – фотосенсибилизатором, которое под облучением передаёт энергию внутриклеточному молекулярному кислороду из-за чего возникают реактивные формы кислорода, уничтожающие раковые клетки. Не сложно догадаться, что КТ в этом подходе будут выполнять роль фотосенсибилизаторов или доноров энергии для других фотосенсибилизаторов. КТ имеют многочисленные преимущества по сравнению с органическими фотосенсибилизаторами, включая мощное поглощение света, сильное излучение, высокую фотостабильность, растворимость в воде и другое.

Помимо оптических свойств, применимых в биовизуализации и ФДТ, КТ могут быть использованы в качестве векторов доставки лекарств. КТ имеют множество привлекательных характеристик в качестве систем доставки лекарств, включая простоту изготовления, возможность конъюгации с широким спектром лекарств, регулируемые физико-химические свойства и интересные оптические свойства, что делает их отслеживаемыми носителями лекарств, которые можно легко контролировать после введения.

КТ могут сослужить пользу и в биосенсорике. Биосенсоры – это системы, которые могут производить измеримый сигнал в ответ на биологический процесс. Биосенсорные системы в основном зависят от избирательности системы к целевой молекуле (молекулам), где для придания избирательности применяются клик-химия, биореактивные полимеры, антитела, лиганды или искусственные рецепторы. Благодаря превосходным и уникальным оптическим свойствам КТ они могут быть включены в такие биосенсорные системы для интеграции избирательности, эффективности, точности и высокой чувствительности обнаружения в одну систему. Например, уже были синтезированы углеродные КТ, модифицированные молекулами борной кислоты, в качестве биосенсоров для измерения уровня глюкозы в крови.