Zastosowanie nanokryształów półprzewodnikowych w diagnostyce raka

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej opracowują emitujące światło nanokryształy półprzewodnikowe, które mogą pomóc w diagnostyce oraz w badaniach podstawowych nad nowotworami. W dalszej perspektywie nanokryształy mogą znaleźć zastosowanie m.in. jako nośniki leków. Koordynatorem projektu jest dr inż. Artur Podhorodecki z Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur (OSN) Instytutu Fizyki PWr. 

Nanokryształy to maleńkie kryształy - o rozmiarach 10^-9 metra. "Okazuje się, że gdy normalny kryształ zmniejszyć do rozmiarów nanometrów, zaczyna on wykazywać bardzo ciekawe, nowe właściwości fizykochemiczne" - mówi w rozmowie z PAP badacz.

Jak wyjaśnia, dzięki temu nanokryształy emitować mogą światło o rozmaitych kolorach. Kolory te można modyfikować zmieniając rozmiar, kształt nanokryształów, czy nawet modyfikując substancje chemiczne, którymi się je pokrywa. Dodatkowo domieszkowanie tego rodzaju nanostruktur jonami ziem rzadkich pozwala na dalsze modyfikacje ich właściwości optycznych oraz na wprowadzenie nowych właściwości, np. magnetycznych, czyniąc taki nanokryształ wielozadaniowym.

"Dzięki kontroli morfologii oraz procesu domieszkowania nanokryształów półprzewodnikowych otwiera się przed nami całe spektrum kolorów, które możemy uzyskać przy wykorzystaniu tego samego materiału" - uważa Podhorodecki.

Ponadto wykorzystanie efektów rozmiarowych może pomóc "oszukać" przyrodę i np. zmusić do świecenia nanokryształy materiałów, które w normalnych warunkach nie świecą, np. krzemu.

"Dzięki tej koncepcji krzem można wykorzystać do układów optoelektronicznych, a nie tylko elektronicznych - wyjaśnia naukowiec. - Do tej pory, gdy chciało się zintegrować krzemowy układ elektroniczny z optycznym, trzeba było zbudować dwa osobne urządzenia i odpowiednio je połączyć. Nie mógł to być jeden proces umożliwiający wysoką integrację i niskie koszty produkcji. Koncepcja nanokryształów daje zatem nadzieję na skonstruowanie komputera optycznego, gdzie zamiast elektronów nośnikiem informacji będzie foton".

Nanokryształy wykorzystywane są także na coraz większą skalę w fotowoltaice (np. w ogniwach słonecznych), gdzie efekty rozmiarowe umożliwiają wydajniejsze absorbowanie światła słonecznego. "Wszystko wskazuje na to, że rezultaty wszystkich tych badań zaczną w najbliższych latach opuszczać mury uczelni i wchodzić na linie produkcyjne, rewolucjonizując współczesną technikę" - uważa fizyk.

Nanokryształy z Politechniki Wrocławskiej, poza zastosowaniami w optoelektronice, mogą mieć też bardzo szerokie zastosowanie w medycynie oraz biologii.

"Odpowiednio sfunkcjonalizowane nanokryształy mogą być np. dołączone do komórek nowotworowych, umożliwiając ich obserwację podczas różnych procesów badawczych. Nanokryształy, ze względu na swoje małe rozmiary (poniżej 10 nm) mogą również przedostać się do wnętrza komórki pozwalając na obrazowanie procesów wewnątrzkomórkowych lub dostarczając lek, jak w przypadku terapii genowej"- opisuje dr Podhorodecki.

"Żeby móc wykorzystywać nasze nanokryształy w medycynie czy biologii, co jest naszym celem, nie wystarczy, aby one wydajnie świeciły. Musimy je także skutecznie sfunkcjonalizować, odpowiednio przygotowując ich powierzchnię. Proces ten sprawi, że nanokryształy będą dobrze dyspergowane (rozdrabniane - PAP) w wodzie i gotowe do dalszej biofunkcjonalizacji przez naszych partnerów zewnętrznych" - dodaje.

"Niestety - przyznaje badacz - w przypadku zastosowań leczniczych bardzo istotnym problemem staje się biodegradowalność takich nośników - po wykonaniu zadania trudno je usunąć z organizmu. Dlatego wymaga to nadal wielu badań i w naszym projekcie chcemy poświęcić się raczej zastosowaniom naszych nanokryształów w diagnostyce".

W ramach pierwszego etapu projektu, dr inż. Podhorodecki z zespołem chce zsyntezować nanokryształy, które będą świecić w świetle podczerwonym i obszarze widzialnym. Naukowiec deklaruje, że jeśli podczas badań jego zespół uzyska nanokryształy emitujące światło o zaplanowanych parametrach, będzie je można wykorzystać także w optoelektronice. Badacz dodaje, że nanokryształy do optoelektroniki w pewnym sensie są łatwiejsze w produkcji niż te do zastosowań w medycynie.

Ze wstępnych badań wynika, że nanokryształy, które w ramach projektu naukowiec będzie syntezował i udoskonalał, będą nie tylko mniej toksyczne niż te dotychczas znane (CdSe, PbS, InAs), ale również będą się charakteryzowały m.in. bardzo małymi rozmiarami (poniżej 10 nm) oraz wydajną emisją w podczerwieni, co pozwoli na znacznie lepsze obrazowanie procesów biologicznych.

"Większość nanokryształów dostępnych na rynku emituje światło w obszarze widzialnym i wzbudzać je trzeba także światłem widzialnym albo ultrafioletowym. Z punktu widzenia pracy biologa czy lekarza jest to pewien problem. Wiele układów biologicznych również emituje (światło - PAP) po wzbudzeniu światłem widzialnym, a zwłaszcza UV. Jako efekt tego zjawiska obserwujemy nakładanie się obu sygnałów, co powoduje, że analizowany obraz jest nieczysty, a to utrudnia analizę. Ponadto promienie UV mogą modyfikować, a nawet niszczyć badany układ biologiczny, wpływając na otrzymane dane" - wyjaśnia.

Według Podhorodeckiego, szansą jest wyprodukowanie nanokryształów świecących i wzbudzanych w podczerwieni. Takie rozwiązanie wyeliminuje problem emisji układów biologicznych. W dodatku podczerwień (nieszkodliwa dla człowieka) może wnikać głębiej w organizm i dzięki niej w przyszłości możliwe będzie nawet wydajne obrazowanie in vivo ułożenia nanokryształów, a więc badanych komórek wewnątrz ciała.

Na razie jednak z produkcją nanokryształów świecących w podczerwieni jest kłopot: materiały, dzięki którym uzyskuje się świecenie w podczerwieni są trudne do uzyskania i toksyczne. Koncepcją zespołu z PWr jest domieszkowanie nanokryształów fluorkowych jonami pierwiastków ziem rzadkich, co sprawi, że nanokryształy będą świecić w świetle podczerwonym i będą znacznie mniej toksyczne niż stosowane do tej pory.

Projekt "Synteza Nanokryształów Półprzewodnikowych Domieszkowanych Lantanowcami do Zastosowań w Bio-Nanomedycynie", którego koordynatorem jest dr inż. Artur Podhorodecki otrzymał w kwietniu niemal 1 mln złotych od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER.

Projekt zacznie się pod koniec września i będzie trwał 3 lata.

PAP - Nauka w Polsce