Nanotechnologie w diagnostyce

Transkrypt

1 Nanotechnologie w diagnostyce

2

3

4

5 Diagnostyka endoskopowa Nanotechnologie mogą być przydatne w diagnostyce niedostępnych miejsc w badaniach endoskopowych. Temu mogą służyć mikrokamery wielkości antybiotyku, które wyposażone w odpowiednie detektory przesyłają obraz np. śluzówki jelita grubego czy cienkiego, żołądka czy oskrzela. Zbędne stanie się badanie gastroskopowe, kolonoskopowe lub bronchoskopowe.

6 Używając nanosensorów molekularnych można kontrolować wnętrze gałki ocznej monitorując wczesne pojawienie się neuro- i retinopatii. Ważnym zadaniem jest stała kontrola ciśnienia wewnątrzgalkowego u pacjentów z zaćmą.

7 Rozwój nanodiagnostyki koncentruje się przede wszystkim na opracowaniu metod rozpoznawania chorób w możliwie najwcześniejszej fazie. Najlepiej, gdyby możliwe było wykrycie choroby na poziomie pojedynczej komórki. Nanotechnologia-on-a-chip jest rodzajem technologii lab-on-a-chip (z ang. laboratorium na szkiełku). Zastosowanie nanocząstek w roli wskaźnika lub znacznika, w testach biologicznych wykazujących obecność lub aktywność wybranych substancji sprawia, że pomiary stają się szybsze i bardziej czułe.

8 Magnetycznych nanocząsteczek połączonych z odpowiednimi przeciwciałami używa się do znakowania molekuł, struktur lub mikroorganizmów. Przyszłością nanodiagnostyki wydają się być biosensory. Są one zbudowane z dwóch typów elementów: biologicznego i fizycznego, zwanego inaczej przetwornikiem. Część biologiczną bioczujnika tworzą: naturalne przeciwciała lub antygeny, enzymy, kwasy nukleinowe, syntetyczne receptory wykonane z materiałów biometrycznych.

9 Przetworniki to czujniki optyczne (wykorzystujące takie zjawiska, jak np. fluorescencja, polaryzacja, absorpcja, luminescencja),elektrochemiczne (konduktometryczne, amperometryczne, potencjometryczne), czujniki wrażliwe na zmianę masy lub czujniki z detekcją termiczną. Składnikami czujników biologicznych mogą być niektóre rodzaje nanocząstek, np. nanorurki węglowe, nanocząstki krzemowe, kropki kwantowe.

10 Optyczne nanosensory wykorzystujące jednościenne nanorurki węglowe mogą być wykorzystane np. do bieżącego kontrolowania stężenia glukozy u chorych na cukrzycę typu 1.

11 Zastosowanie biosensorów w diagnostyce stwarza też możliwości wczesnego wykrycia markerów niektórych chorób w płynach ustrojowych. Opracowano test paskowy oparty na nanocząstkach (ang. nanoparticle-based biobarcode assay) do pomiaru stężenia pochodnej amyloidu jako markera choroby Alzheimera w płynie mózgowo-rdzeniowym. Test ten pozwala wykryć u chorych już 50 cząsteczek pochodnej amyloidu, podczas gdy będący w powszechnym użyciu test immunologiczny (ELISA) umożliwia wykrycie amyloidu tylko w tkance mózgowej, gdzie jest go znacznie więcej.

12 Kropki kwantowe Określa się je jako półprzewodnikowe nanokryształy, wykorzystywane jako charakterystyczne znaczniki optyczne. Kropki kwantowe są bardzo specyficznym rodzajem substancji, o pośrednich właściwościach półprzewodników i cząstek kwantowych. Podobnie jak półprzewodniki kropki kwantowe pochłaniają fotony światła o takiej energii, która pozwala na przeniesienie elektronów z poziomu niewzbudzonego na jeden z wyższych dostępnych poziomów energetycznych. Odmiennie natomiast zachodzi proces emisji. Długość fali emitowanego przez nie światła (co uwidacznia się jako kolor) jest uzależniona od wielkości kropki. Stąd też mając jeden półprzewodzący materiał można otrzymać znaczniki o różnych kolorach. Co do ich rozmiarów, to przeciętna wielkość kropek kwantowych wraz z dodatkowymi otoczkami odpowiada średniej wielkości białka takiego jak np. GFP, który jest zresztą obecnie bardzo popularnym znacznikiem.

13 Kolory Rodamina jest klasycznym barwnikiem organicznym. Przy odpowiedniej obróbce można z niej uzyskać dwa kolory, które wskazują na zmiany ph. Czułość tej metody jest dość ograniczona: barwnik może być nietrwały w danym zakresie ph, lub stać się związkiem bardzo stabilnym, może też dochodzić do nieprzewidzianego wygaszania sygnału (wpływ buforów), wreszcie różnice między kolejnymi barwami będą zbyt małe i wyniknie problem z rozróżnieniem jednych od drugich.

14 Zupełnie inaczej wygląda to w przypadku kropek kwantowych. Cała paleta barw jest otrzymywana z jednego rodzaju substancji, analizę prowadzi się stosując jedno źródło światła i monitorując wszystkie kropki jednocześnie. Markery nowotworów. Czerwony kolor odpowiada kropkom kwantowym na powierzchni komórek raka piersi, natomiast niebieski barwnik barwi jądro komórki.

15 Absorpcja Kropki kwantowe nie absorbują światła w taki sam sposób jak tradycyjne barwniki. Najważniejsza różnica polega na zakresie absorpcji. Takie znaczniki jak fluoresceina czy fikoerytryna absorbują tylko pewien ściśle określony zakres długości fali, natomiast kropki kwantowe mogą absorbować w całym zakresie od światła niebieskiego, poprzez widzialne kończąc na podczerwnieni. Ta subtelna różnica powoduje ze to kropki kwantowe stają się znacznie bardziej użyteczne od popularnych barwników.

16 Łączenie kropek kwantowych i mikroskopii elektronowej jest już wykorzystywane. Na fotografii widać tkanki tłuszczowej otaczającej jajnik. Na górnej fotografii jest tkanka tłuszczowa wybarwiona tradycyjnym barwnikiem, natomiast na dolnej ta sama tkanka wybarwioną żółtymi kropkami kwantowymi we krwi, co pozwala na obserwacje kapilarnych struktur w tkance tłuszczowej.

17 Mając mieszaninę kropek kwantowych o różnych kolorach możemy je jednocześnie wzbudzić jedną długością fali światła. W praktyce oznacza to, że używając jednego typu urządzenia takiego, jak np. mikroskop fluorescencyjny, można analizować próbki oznakowane wieloma różnymi kropkami. Do analizy całej próbki wystarczy jedna lampa lub laser, co znacznie obniża koszty badania.

18 Kropki kwantowe mają bardzo dużo zalet: Po pierwsze mogą przetrwać znacznie więcej cykli wzbudzenia i emisji światła niż typowe organiczne barwniki, co umożliwia śledzenie zmian zachodzących w komórkach przez dłuższy okres czasu. Po drugie emitowany kolor zależy od wielkości kropki, co powoduje, że mamy do czynienia z olbrzymią paletę barw znaczników. Najważniejszą ich zaletą jest możliwość detekcji przy jednej długości fali. Znakujemy cząsteczki kropkami o różnej wielkości, a więc o różnych kolorach świecenia. Wzbudzając je jedną długością fali otrzymamy jednocześnie wszystkie kolory.

19 Widmowe kody paskowe W lateksowym koraliku umieszcza się pięć różniących się wielkością (a więc i barwą emitowanego światła) kropek kwantowych. Po wzbudzeniu taki lateksowy koralik wyemituje światło, które przepuszczone przez pryzmat da widmo pięciu prążków o określonej intensywności - widmowy kod paskowy. Potencjalne zastosowanie: Jeżeli chcemy ustalić, które geny w badanej komórce są aktywne, należy porównać materiał genetyczny badanej komórki ze znanymi sekwencjami. W tym celu wystarczy połączyć lateksowe koraliki z fragmentem DNA o znanej sekwencji (to będzie służyć jako sonda). Po oświetleniu kropki kwantowe ( a tym samym i nasza sonda) "ujawnią się" tylko w miejscach, gdzie obie sekwencje są względem siebie komplementarne.

20 Lateksowe koraliki. Barwa poszczególnych koralików zależy od wymiaru kropek. W tym przypadku w koraliku umieszczono pięć różnych kropek, stąd pojawia się pięć barw.