Jak snadno a levně připravit fluorescenční nanočástice pro medicínu v jaderném reaktoru
9. listopadu 2018
Čeští vědci pod vedením Petra Cíglera z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a Martina Hrubého z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR přišli s převratnou metodou umožňující snadno a levně produkovat ozářené nanodiamanty a jiné materiály využitelné pro vysoce citlivou diagnostiku chorob, včetně nádorových onemocnění. Jejich článek nyní publikoval prestižní vědecký časopis Nature Communications.
Diagnostika chorob a porozumění procesům probíhajícím v buňkách na molekulární úrovni vyžaduje citlivé a selektivní diagnostické nástroje. Vědci jsou dnes schopni sledovat magnetická a elektrická pole v buňkách s rozlišením v řádu desítek nanometrů a s vysokou citlivostí díky krystalovým poruchám v částicích některých anorganických materiálů. Téměř ideálním materiálem pro tyto účely je diamant. Na rozdíl od šperkařských diamantů se ale pro aplikace v diagnostice a nanomedicíně používají asi milionkrát menší diamanty – nanodiamanty, které se připravují synteticky z grafitu za vysokých tlaků a teplot.
Čistý nanodiamant však o svém okolí mnoho nesdělí. Jeho krystalová mřížka se musí nejprve řízeně poškodit tak, aby v ní vznikly zvláštní poruchy (tzv. centra dusík-vakance) umožňující optické čtení. Poškození se vytváří nejčastěji ozářením nanodiamantu rychlými ionty v částicových urychlovačích. Tyto urychlené ionty jsou schopny z krystalové mřížky nanodiamantu vyrazit atomy uhlíku, po nichž tak zůstanou v mřížce „díry“ (vakance). Ty se poté při vysokých teplotách spárují s atomy dusíku, které jsou v krystalu přítomné jako nečistoty. Nově vzniklá centra dusík-vakance jsou zdrojem fluorescence, kterou je pak možné pozorovat. Právě díky této fluorescenci mají nanodiamanty obrovský potenciál využití v medicínských i technických aplikacích.
Zásadním omezením pro využití těchto materiálů v širší praxi je ale velmi drahé a málo efektivní ozařování ionty v urychlovači, které neumožňuje přípravu většího množství tohoto mimořádně cenného materiálu.
Tým vědců z několika výzkumných pracovišť pod vedením Petra Cíglera a Martina Hrubého publikoval v časopise Nature Communications zcela nový způsob ozařování nanokrystalů. Namísto drahého a dlouhého ozařování v urychlovači využili vědci velmi krátké a o mnoho levnější ozáření v jaderném reaktoru.
Tak jednoduché to ale nebylo – vědci museli využít trik, kdy neutronové záření v reaktoru štěpí atomy bóru na lehké a velmi rychle letící ionty hélia a lithia. Nanokrystaly se nejprve musí rozptýlit v tavenině oxidu boritého a následně se ozáří neutrony v jaderném reaktoru. Záchytem neutronů a rozpadem jader bóru vzniká hustá sprcha iontů hélia a lithia, které v nanokrystalech mají stejný efekt jako tytéž ionty produkované urychlovačem – řízenou tvorbu krystalových poruch.
Díky vysoké hustotě této částicové sprchy a možnosti ozářit v reaktoru mnohem větší množství materiálu je možné snadno a daleko levněji připravit najednou desítky gramů vzácného nanomateriálu, což je přibližně tisíckrát více, než kolik byli vědci dosud schopni získat při srovnatelném ozařování v urychlovačích. Tato metoda se ukázala jako úspěšná nejen pro tvorbu poruch v mřížce nanodiamantu, ale i na dalším nanomateriálu, karbidu křemíku. Vědci proto předpokládají, že by metoda mohla sloužit univerzálně pro produkci nanočástic s definovanými poruchami ve velkém měřítku.
Nová metoda vychází z principu využívaného při terapii bórovým neutronovým záchytem (boron neutron capture therapy – BNCT), kdy je pacientovi podána sloučenina bóru. Po jejím nahromadění v nádoru je pacient ozářen neutrony, které způsobí štěpení jader bóru na ionty hélia a lithia. Ty následně zničí nádorovou tkáň, v níž je bór nahromaděn. Díky principu známému z experimentální terapie nádorů se tak nyní povedlo vytvořit cestu pro efektivní výrobu nanomateriálů s vysokým potenciálem využití mimo jiné i v diagnostice nádorových onemocnění.
Článek:
- Jan Havlík, Vladimíra Petráková, Jan Kučka, Helena Raabová, Dalibor Pánek, Václav Štěpán, Zuzana Zlámalová Cílová, Philipp Reineck, Jan Štursa, Jan Kučera, Martin Hrubý a Petr Cígler: Extremely rapid isotropic irradiation of nanoparticles with ions generated in situ by a nuclear reaction. Nature Communications 2018, 9, 4467. DOI: 10.1038/s41467-018-06789-8.
Čtěte dále...
