Квантовые точки научили «идеальной» флуоресценции

Многие существующие техники биовизуализации, в частности томографии и микроскопии, основаны на флуоресцентных метках. Свечение флуоресцентного белка или красителя позволяет наблюдать за отдельными клетками на молекулярном уровне и системными процессами на уровне организма. Однако регистрация флуоресценции сопряжена с рядом трудностей: так, излучение меток поглощается и рассеивается образцами, сильно снижая разрешение и чувствительность метода. Более перспективным считается излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (с длиной волны от одного до двух микрометров). Оно слабо рассеивается и поглощается, кроме того, этот диапазон не предусматривает автофлуоресценции образцов. Тем не менее подходящих источников подобного излучения до сих пор не существовало.

В 2016 году сотрудники Массачусетского технологического института разработали новый класс квантовых точек на базе арсенида индия (InAs) — они способны излучать волны нужной длины и при этом пригодны для адаптации к биологическим приложениям. Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы, одним из свойств которых является флуоресценция в широкой области спектра. Они также отличаются высокой фотостабильностью и яркостью, а спектральные характеристики квантовых точек связаны с их размером, что упрощает манипуляции. В новой работе ученые покрыли нанокристаллы InAs оболочкой из других материалов и получили несколько сортов частиц, излучающих волны различной длины в заданном диапазоне. Затем их использовали как флуоресцентные метки тремя способами для наблюдения разных процессов.

На первом этапе из квантовых точек изготовили фосфолипидные мицеллы, которые могут долгое время перемещаться по кровотоку. Введение меток мышам позволило авторам регистрировать дыхание и сердцебиение животных по свечению. При этом наблюдения не ограничивали движения особей: существующие техники требуют подключения организма к специальным устройствам, например томографу, или имплантации датчиков. Во втором эксперименте квантовые точки послужили основной для наносом, включенных в состав липопротеинов. Частицы были аналогичны мицеллам, всасывающимся в кишечнике при переваривании жиров. Чтобы проследить за метаболизмом жиров в условиях холода, исследователи ввели флуоресцентные наносомы в замерзших мышей. Это обнаружило быстрое накопление бурого жира (используется для генерации тепла), причем с большими разрешением изображения и чувствительностью по сравнению с другими методами.

Наконец, авторы смоделировали у животных растущую опухоль, в которую ввели композитные частицы с квантовыми точками. Благодаря накоплению в сосудах новообразования частицы обеспечили беспрепятственный мониторинг за течением заболевания. Примечательно, что ученым удалось не только выявить таким образом отдельные сосуды, но и оценить скорость кровотока на основании движения частиц, в том числе в здоровых тканях. По словам группы, несмотря на хорошие результаты и безопасность для мышей, речь о применении техники на человеке пока не идет. Тем не менее, она расширяет биовизуальный арсенал, который может использоваться, в частности, в рамках доклинических исследований препаратов.

Подробности работы опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.

Квантовые точки в качестве альтернативы традиционным флуоресцентным меткам предлагались и ранее. Так, летом прошлого года польские ученые представили технологию изготовления квантовых точек с высокой фотостабильностью.