Cómo las nanopartículas de oro pueden hacer matar tumores más fácil

Agrandar / Nanopartículas (puntos negros) se sientan en los restos de una célula han ayudado a matar. Universidad de Michigan

Una de las formas de matar un cáncer es cocinarlo, ya que el calor puede matar células El truco, por supuesto, es cocinar solo el cáncer y No el tejido circundante. Para hacer esto, necesitas tener un idea precisa de la extensión de un tumor, un mecanismo preciso para entregando calor, y un maldito buen termómetro. Puede sorprenderte para aprender que las nanopartículas de oro hacen un muy buen trabajo para lograr los primeros dos. El tercero, un buen termómetro, ha eludido a los investigadores. por algun tiempo. Pero, ahora parece que las nanopartículas de oro pueden proporcionar la trifecta completa.

Ahogando un tumor en oro fundido

Algunos cánceres, los que la mayoría de las personas imaginan cuando piensan en Cáncer: forma masas de tejido. En algún momento, estos bultos requieren un suministro de sangre. Una vez provistos de vasos sanguíneos, el tumor no puede solo crece, pero tiene un sistema de transporte disponible para liberar las células que pueden propagar el cáncer por todo el cuerpo. Para el paciente, estas no son buenas noticias.

El desarrollo de un suministro de sangre abre nuevas imágenes y opciones de tratamiento, sin embargo. Los tumores cancerosos no están bien organizados. tejidos en comparación con tejidos sanos como el tejido muscular o renal. Entonces Hay muchos rincones y grietas en un tumor que pueden atrapar pequeños partículas Y esta desorganización es exactamente lo que los investigadores Espero aprovechar. Se inyectan nanopartículas de oro en el torrente sanguíneo estos salen del suministro de sangre, pero, en la mayoría de los cuerpo, se limpian rápidamente. Excepto que, dentro de los tumores, el Las nanopartículas se alojan por todo el lugar.

Esta tendencia de los tumores a recoger las nanopartículas de oro. da como resultado un buen marcador que puede usarse para obtener imágenes del cáncer. por Por ejemplo, las nanopartículas de oro brillarán mucho cuando brillas luz sobre ellos (normalmente luz roja). Este brillo puede ser fotografiado, incluso Si el tumor es bastante profundo en el cuerpo. Alternativamente, oro la nanopartícula se puede unir a un agente de contraste diseñado para mostrar arriba en un escáner de resonancia magnética. Incluso se pueden usar imágenes de rayos X.

Y las nanopartículas también pueden ayudar a matar los cánceres. Cuando brillas luz sobre la nanopartícula de oro, no solo brilla intensamente, sino que También se calienta. Entonces, en principio, puede hacer brillar la luz láser a través de la piel y localmente calientan el cáncer hasta el punto donde el tumor Las células son asesinadas.

El problema es juzgar el tratamiento correctamente: si aplica también mucho calor, dañará el tejido circundante; si no aplicas suficiente calor, el tumor no se dañará. Para llegar al punto ideal entre los dos consistentemente, necesitarías poder medir La temperatura de las nanopartículas. Eso permitiría una especie de tratamiento guiado

Viendo el calor

La forma en que brilla una nanopartícula también puede contener información sobre la temperatura. Perfeccionar el tratamiento, entonces, es solo una cuestión de extraer esta información. Así que vamos a ponernos desordenados y mirar el detalles.

Cuando la luz láser golpea un metal, los electrones, que son libres de moverse, perseguir el campo eléctrico de la luz. Entonces, como la luz el campo eléctrico cambia la amplitud y dirección, los electrones sienten la fuerza del campo y son conducidos de un lado a otro.

En una nanopartícula, los electrones no tienen mucho espacio para moverse alrededor. Entonces, a medida que la luz impulsa los electrones, los electrones pueden solo salpique de un extremo de la nanopartícula al otro. Esto es muy parecido al agua en una olla. Agite la olla a la frecuencia correcta y las ondas de agua se acumularán hasta que termines con los pies mojados. Esto se debe a que la olla se sacudió a la frecuencia resonante de la olas chapoteando en su interior. Lo mismo es cierto para el oro. nanopartículas: brille la luz de color correcta en la partícula, y el los electrones serán conducidos a una resonancia llamada plasmón superficial resonancia.

La fuerza de estas oscilaciones es lo que hace que el oro las nanopartículas brillan tan intensamente: contienen una gran cantidad de electrones acelerando de un lado a otro, irradiando energía como fotones. Las nanopartículas no brillan exclusivamente en el mismo color que el la luz láser la alumbramos. Una gran cantidad de luz tiene un color más rojo y una pequeña cantidad tiene un color más azul.

La clave para este nuevo trabajo es que los cambios de estos colores son Depende de la temperatura.

Los electrones son un poco como un gas que fluye a través del estructura reticular de los núcleos de oro, que es como una cuadrícula 3D. los La velocidad a la que se mueven viene dada por la temperatura. En otra Es decir, la temperatura es una medida de la energía promedio de electrones

Buenas vibraciones

Los electrones no son conductores cuidadosos, navegan cuidadosamente entre los núcleos de oro. En cambio, caen como la pelota en un mesa de pinball, chocando contra núcleos cada femtosegundo más o menos. Cuando lo hacen, pueden perder energía al hacer vibrar los núcleos de oro (lo que hace que sus vecinos vibren, ya que la onda de sonido resultante viaja lejos de la ubicación de la colisión). El electrón puede También gana energía si golpea un núcleo que ya está vibrando. los Las vibraciones de los núcleos de oro representan la energía almacenada en el celosía de núcleos, y siempre hay algunas vibraciones presente.

Esto significa que hay dos temperaturas relevantes: la temperatura de los electrones y la temperatura de la red de núcleos de oro En circunstancias normales, la energía se transfiere de vuelta y hacia adelante muy rápidamente entre los dos, por lo que las dos temperaturas son casi siempre lo mismo.

Cuando encendemos el láser, este equilibrio cuidadoso es violento molesto porque los electrones son acelerados por la luz. Si pudiéramos medir su temperatura, obtendríamos un número muy alto. En el Al mismo tiempo, los electrones todavía están colisionando con los núcleos. Como un Como resultado, la red comienza a calentarse también. La mayor parte de la energía poner en agitación los núcleos de oro sobre termina siendo transferido a la mundo exterior: el tumor en este caso. Eso es lo que se puede usar para mátalo.

Mientras tanto, los electrones están emitiendo luz. Porque la mayoría de los los electrones están perdiendo energía en la red, el brillo de la la nanopartícula está dominada por colores que son más rojos que el Iluminando la luz. Pero el proceso va en ambos sentidos. Electrones que absorber energía de una vibración reticular emitirá luz que es más azul que la luz láser original. Este proceso es mucho más raro, porque la red está bastante fría. Sin embargo, a medida que la celosía se calienta arriba, crece la intensidad de la luz azul. Entonces, midiendo el relación de luz azul a roja, puede obtener una medida precisa de la temperatura.

Medición de calor

Esta es en realidad una técnica común en la física de la combustión, ya que permite a los investigadores medir de forma remota la temperatura de los gases en cámaras de combustión (generalmente miden nitrógeno). Pero aplicando para nanopartículas es una propuesta muy diferente. El problema es que la resonancia hace que la luz emitida sea mucho más brillante Solo funciona para algunos colores. Si esos son los colores que eres midiendo para rastrear temperaturas, entonces esto arrojará todo apagado. Por ejemplo, los colores más rojos podrían ser más fuertes mejorado que los colores azules, en cuyo caso, calcularía un temperatura mucho más baja de lo que realmente es el caso.

Aquí es donde entran en juego la buena química y los cálculos. Cuando el oro se sintetizan nanopartículas, es posible ajustar su forma y tamaño para que la gran mayoría de las partículas tengan un tamaño similar dimensiones. En este caso, es posible calcular cómo cada El color se ve reforzado por la resonancia. Una vez que tomas el resonante mejora en cuenta, tienes un modelo con exactamente uno gratis parámetro (la temperatura de la red). Ajuste los datos con su modelo, y tienes la temperatura

Una vez que sepa cómo responde la nanopartícula, también puede utilícelo para aumentar la precisión de la medición de temperatura. Verás, la luz azul suele estar entre 100 y 10,000 veces más débil que la luz roja (porque las vibraciones reticulares son raro cuando el enrejado está frío). Pero, si la iluminación láser La longitud de onda y la forma de nanopartículas se eligen para que la luz azul está fuertemente mejorado en comparación con el rojo, entonces la relación de azul a la luz roja se acerca a uno. Esto significa que el tiempo dedicado a reunir la luz para hacer una medición es mucho más corta y más precisa Se pueden obtener temperaturas.

Toda la idea es genial.

La luz del día no se ve

Dicho esto, creo que esto será muy difícil de usar en aplicaciones terapéuticas En primer lugar, incluso si las nanopartículas mejorar la parte más azul del espectro de luz, la intervención el tejido lo dispersará con bastante fuerza. Entonces, al final, puede no queda suficiente luz azul para obtener una medida precisa en cualquier distancia del tumor. Y tomará más tiempo cálculo para descubrir cómo esa dispersión cambiará la relación medida

El mayor problema es el vínculo entre la temperatura y el resonancia de plasmones superficiales. Como dijimos, esa resonancia depende de La forma de la partícula. Durante los experimentos, los investigadores continuamente comprobó que la forma no había cambiado. �Por qué iban a �Haz eso? Porque el calor que generan mientras excitan el la nanopartícula lo derretirá, y cuando hagas eso, la nanopartícula La forma cambiará. En el cuerpo, no hay forma de verificar que el La forma no ha cambiado.

En los tratamientos terapéuticos, generalmente se usan partículas esféricas. En ese caso, no habrá cambio de forma con el calentamiento. los Sin embargo, la investigación se realizó en partículas en forma de varilla, porque le permiten sintonizar la frecuencia de la resonancia y mejorar La luz azul. No hay posibilidad de sintonización esférica nanopartículas, que te devuelve a la falta de luz azul. Esto parece una trampa-22.

Entonces, esta es una idea genial que espero lo haga más allá de laboratorio. Pero llevará algunos años resolver los problemas.

Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021 / acs.nanolett.7b04145