Нанотехнологии в биомедицинской диагностике

В настоящее время в биомедицинской диагностике нанотехнологии применяются во многих направлениях исследований: визуализации (возможности видеть состояние и функционирование различных органов, процесса переноса лекарственных препаратов и т.д.), создании наносенсоров для исследования состояния организма на клеточном и субклеточном уровнях и др..    

Для визуализации биомедицинских исследований применяются, в частности, квантовые точки (КТ), наночастицы золота, железа и его оксидов.

Ква́нтовая то́чка (КТ) — фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe, CdS или GaInP/InP), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям, при этом размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными

Квантовые точки чаще всего имеют размеры порядка 2- 10 нм.

Так как многие КТ токсичны, то их покрывают защитными оболочками из нетоксичных металлов, полупроводников, полимеров.

Основной причиной стремительного проникновения квантовых точек в разнообразные области науки и технологии являются их уникальные оптические характеристики:

1. Зависимость длины волны люминесцентного излучения КТ от ее размеров: если КТ разных размеров сделаны из одного материала, то чем меньше размер КТ, тем короче длина волны люминесцентного излучения (рис. 7):

Рис. 7. Зависимость длины люминесцентного излучения от размеров КТ

 

2. Узкий симметричный пик флуоресценции (в отличие от органических красителей, для которых характерно наличие длинноволнового «хвоста»).

3. Широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать КТ разных цветов одним источником излучения.

4.  Высокая яркость люминесценции, определяемая высоким значением экстинкции (поглощением возбуждающего излучения) и высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS — до 70%).

5. Уникально высокая фотостабильность КТ позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.

Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов. Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект

непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, КТ разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному. Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом. Квантовые точки при этом остаются фотостабильными в клетках в течение как минимум несколько суток и не вызывают нарушений структуры и функции клеток.

Отметим, что для визуализации, а так же для усиления контраста при различных видах томографических исследований используют наночастицы металлов (например, золота) и оксиды металлов (в первую очередь – оксиды железа).

Наносенсоры -  это наноразмерные сенсоры, часто выполненные по МЭМС и НЭМС технологиям.

Наносенсоры используются, например, для изготовления "лаборатории на чипе" – миниатюрного прибора, позволяющего одновременно проводить множество (до тысяч) многостадийных (био) химических исследований на одном чипе площадью от нескольких мм² до нескольких см² и использующий микро- или наноскопические количества образцов для пробоподготовки и проведения реакций.

Наносенсоры могут использоваться in vivo (в живом организме), в частности, для измерения внутриклеточного pH, сигнализируя, например, свечением о его изменении.