برای تشخیص و درمان دقیق بیماری ها، پزشکان و محققان باید داخل بدن را ببینند. ابزارهای تصویربرداری پزشکی از زمان انجام اشعه ایکس راه درازی را پیموده‌اند، اما اکثر ابزارهای موجود برای تعیین کمیت تعداد یا انواع خاصی از سلول‌ها در بافت‌های عمیق بدن بسیار زمخت هستند.
بر اساس تحقیقات جدید روی موش های دانشگاه ایلینویز، نقاط کوانتومی می توانند این کار را انجام دهند.
“نقاط کوانتومی می توانند چیزهایی را در بدن اندازه گیری کنند که بسیار بسیار پویا و پیچیده هستند و ما در حال حاضر نمی توانیم آنها را ببینیم. آنها به ما توانایی شمارش سلول ها، تشخیص مکان دقیق آنها و مشاهده تغییرات در طول زمان را می دهند. من فکر می کنم این است. اندرو اسمیت، استاد دپارتمان مهندسی زیستی دانشگاه U of I و یکی از نویسندگان در نانو ACS مطالعه.
نقاط کوانتومی نانوذراتی هستند که در آزمایشگاه رشد کرده اند – فقط چند صد اتم به اندازه – با خواص نوری ویژه ای که توسط میکروسکوپ استاندارد، توموگرافی (مانند اسکنرهای PET/CT) و تصویربرداری فلورسانس قابل تشخیص هستند. بسته به اندازه و ترکیب آنها، مهندسان زیستی مانند اسمیت می توانند آنها را در رنگ های خاصی بدرخشند و نور را در طیف مادون قرمز ساطع کنند.
ساطع نور در اشعه مادون قرمز نادر است. نور بسیار کمی از بافت های مادون قرمز ساطع می شود، بنابراین اگر آنها را در بدن قرار دهید، بسیار درخشان به نظر می رسند. اسمیت می گوید: با استفاده از فناوری در محدوده مرئی.
در نانو ACS اسمیت و همکارانش اجازه دادند که نقاط کوانتومی روی ماکروفاژها شل شوند.
هنگامی که بدن ما نیاز به بلع پاتوژن ها یا پاکسازی زباله های سلولی دارد، ماکروفاژها دست به کار می شوند. یکی از کارهای آنها شروع التهاب است و محیط را برای میکروب های مضر نامساعد می کند. اما گاهی اوقات آنها این کار را خیلی خوب انجام می دهند. بسته به بافتی که در آن قرار دارند، التهاب مزمن ناشی از فعالیت ماکروفاژها می تواند منجر به دیابت، مشکلات قلبی عروقی، سرطان و غیره شود.
تیم U of I به ویژه به ماکروفاژها در چربی یا بافت چربی علاقه مند بود.
با افزایش وزن و چاقی، تعداد ماکروفاژها در بافت چربی افزایش می یابد و تمایل به تغییر به سمت فنوتیپ التهابی دارند که به ایجاد مقاومت به انسولین و سندرم متابولیک کمک می کند. به خصوص در داخل بدن،” کلی سوانسون، پروفسور اعطا شده شرکت Kraft Heinz در تغذیه انسانی در بخش علوم دامی در U of I و یکی از نویسندگان مطالعه می گوید.
او می افزاید: «نقاط کوانتومی که گروه ما ایجاد کرده است، امکان کمی سازی و مشخصه بهتر سلول های موجود در بافت چربی و توزیع فضایی آنها را فراهم می کند.
این تیم نقاط کوانتومی پوشیده شده با دکستران، مولکول قندی که ماکروفاژها را در بافت چربی نیز هدف قرار می دهد، ایجاد کردند. به عنوان یک اثبات مفهوم، آنها این نقاط کوانتومی را به موش های چاق تزریق کردند و نتایج تصویربرداری را با دکستران به تنهایی، استاندارد فعلی تصویربرداری ماکروفاژها، مقایسه کردند.
نقاط کوانتومی در تمام پلتفرم های تصویربرداری، از جمله تکنیک های نوری ساده، به تنهایی از دکستران بهتر عمل کردند.
اسمیت می‌گوید: «نقاط کوانتومی مقدار زیادی نور را منتشر می‌کنند و به ما این توانایی را می‌دهند که انواع سلول‌های خاص را تا حد بیشتری اندازه‌گیری کنیم و مکان آنها را شناسایی کنیم.» “این درجه از خروجی نور امکان استفاده از تکنیک های نوری را فراهم می کند، که بسیار در دسترس تر از سایر فناوری های تصویربرداری هستند. در مقایسه با اسکنرهای MRI و PET، آنها ابزار ارزان قیمتی هستند که می توان آنها را در یک کلینیک کوچک قرار داد. همه می توانند یکی را داشته باشند.”
اگرچه هنوز از نقاط کوانتومی در انسان استفاده نشده است، سوانسون آینده ای را می بیند که در آن می توان از یک فناوری نوری ساده مانند اولتراسوند برای تشخیص غیرتهاجمی و ردیابی ماکروفاژهای التهابی در بیماران دارای اضافه وزن استفاده کرد.
او می گوید: “ممکن است دستگاهی مانند سونوگرافی وجود داشته باشد که در آن فرد را اسکن کنید، و حتی اگر وزن بیمار تغییر نکرده باشد، پزشک می تواند بگوید که آیا انواع سلول ها در حال تغییر هستند یا خیر. سلول های التهابی بیشتر می توانند مقاومت به انسولین و سایر مسائل را پیش بینی کنند.” . به همین دلیل است که به دلیل خواص تشخیصی آن به آن علاقه مند هستم.
نقاط کوانتومی در انسان مورد استفاده قرار نمی گیرند زیرا معمولاً با فلزات سنگین مانند کادمیوم و جیوه ساخته می شوند و دانشمندان هنوز متوجه نشده اند که چگونه آنها متابولیزه شده و از بدن خارج می شوند. اسمیت و تیمش در حال کار بر روی نقاط کوانتومی ساخته شده با عناصر ایمن تر هستند، اما تا آن زمان، آنها یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند باقی می مانند. به عنوان مثال، زمان گردش طولانی آنها – نه برابر طولانی‌تر از دکستران در مطالعه فعلی – می‌تواند راهی را به تشخیص‌شناسان بدهد تا فراتر از یک عکس فوری در زمان بروند.
اسمیت می‌گوید: «سطح زیادی از تنوع ماکروفاژها حتی در طول روز وجود دارد. بافت چربی ممکن است در اواسط روز تعداد بسیار بالایی داشته باشد و سپس به شدت پایین بیاید.» در مطالعات حیوانی، ما می‌توانیم در ابتدا و انتهای روز حیوانات را قربانی کنیم تا روند را مطالعه کنیم، اما با نقاط کوانتومی، ممکن است مجبور نباشیم این کار را انجام دهیم. شما می‌توانید یک حیوان را در طول زمان دنبال کنید تا پیشرفت آن را ببینید.
“نقاط کوانتومی ارزش زیادی در مطالعات حیوانی ارائه می‌دهند. بنابراین حتی اگر نقاط کوانتومی به انسان‌ها نرسند، اگر هرگز راهی برای غیرسمی کردن آنها پیدا نکنیم، ارزش آن هنوز واقعاً عالی است.”
اسمیت، سوانسون و سایر همکاران اخیراً یک کمک هزینه از مؤسسه ملی بهداشت دریافت کردند تا کار خود را با نقاط کوانتومی برای هدف قرار دادن ده ها نوع مختلف سلول گسترش دهند.
گروه علوم دامی در کالج علوم کشاورزی، مصرف کننده و محیط زیست در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign است.