“ננו-כוכבים” מזהב באבחון רפואי ובטיפול במזהמים סביבתיים

כוכבים זעירים מזהב, קטנים ממיליארדית המטר, עשויים להוליד גישות חדשות עבור אבחון רפואי או בחינת הסביבה וזיהוי המזהמים שבתוכה

מוטות, חרוטים, קוביות וכדוריות – פנו את הדרך! כוכבים זעירים מזהב, קטנים ממיליארדית המטר, עשויים להוליד גישות חדשות עבור אבחון רפואי או בחינת הסביבה וזיהוי המזהמים שבתוכה.

בעוד ננו-חלקיקים הפכו להיות נושא נחשק במגוון רחב של סוגי מדעים, מחקר חדש שנערך ע”י ביו-מהנדסים מאוניברסיטת דיוק (Duke) מציין כי מבין כל המבנים שנבחנו עד כה, למבנה הכוכב יש את היתרון הגדול ביותר עבור יישומים מסוימים.

גורם המפתח הינו אור, ובעיקר כיצד הוא מוחזר החוצה מהחלקיקים. החוקרים מאוניברסיטת דיוק מצאו כי בהשוואה למבנים אחרים ננו-כוכבים מסוגלים להגביר באופן משמעותי את האור המוחזר. עובדה זו מגדילה את יכולתם לשמש כנוֹתֵב (tracer), כתָּגִית (label) או כאמצעי נִגּוּד (contrast agent).

מכיוון שהחוקרים מצאו גם כי גודל הננו-כוכבים וצורתם המדויקים משפיעים על הספקטרום של הקרינה המוחזרת, הם מאמינים כי ניתן יהיה לכוונן את אופי הננו-כוכבים הזעירים הללו כך שיוכלו לזהות ולהיקשר לתרכובות וכימיקלים מוגדרים.

“למיטב ידיעתנו, זהו המאמר הראשון בדבר הפיתוח והשימוש בננו-כוכבים מזהב כתגיות לזיהוי מולקולארי והתיאור הראשון בדבר ההכנה המבוקרת שלהם עם גדלים וצורות שונים,” אמר Chris Khoury, הכותב הראשי של המאמר שפורסם בגרסת הרשת של כתב-העת Physical Chemistry.

בניסויים של אוניברסיטת דיוק נעשה שימוש בננו-כוכבים בשילוב עם תופעה שתוארה לראשונה בשנות השבעים והידועה בשם “פיזור ראמאן מוגבר-פני שטח” (surface-enhanced Raman scattering, SERS). כאשר אור או קרינה, לרוב ממקור לייזר, מוזרמים לעבר דגימת חומר, תרכובות המטרה רוטטות בתגובה לכך ופולטות קרינה באורך גל הייחודי להן והמכונה פיזור ראמאן. כאשר תרכובת המטרה מצומדת לננו-חלקיק או ננו-מבנה מתכתי, תגובת הראמאן מוגברת באופן משמעותי בעקבות אפקט זה – לעיתים אפילו פי מיליון.

בתחילת שנות השמונים החוקר Vo-Dinh ועמיתיו היו בין הראשונים להדגים כי ניתן להשתמש בתופעה זו ליישומים מעשיים כגון זיהוי כימיקלים, בכללם: מחוללי-סרטן, מזהמים סביבתיים ותסמינים ראשוניים של מחלות. עתה, כאשר הוא נמצא באוניברסיטת דיוק, החוקר דוחק את גבולות הטכנולוגיה הזו באמצעות תכנון מגוון סוגים וצורות של ננו-חלקיקים מתכתיים אשר יוכלו לשמש כתגיות עבור אבחון כימי וביו-רפואי.

“אנו מנסים להבין איזה סוג של ננו-מבנים יספק לנו את האות המיטבי כך שנוכל להשתמש בו לניטור כמויות זעירות של מזהמים או לאבחון מחלות בשלביהן הראשוניים” אמר החוקר. “מחקר זה הינו ההדגמה הראשונה לכך שננו-כוכבים אלו יכולים להגביר את האפקט של תופעת הראמאן לקבלת “חתימה” ספקטראלית חזקה וייחודית, כעין “טביעת אצבע אופטית””.

החוקרים “גידלו” את הננו-כוכבים באמצעות ערבוב של “זרעי” חלקיקי זהב זעירים בתמיסה מתאימה. ככל שהוספו יותר חלקיקי זהב לתמיסה, החלו להתפתח בליטות חדשות החוצה מכיוון ליבת החלקיק. תוספת זהב הגדילה את הגודל של החלקיק כולו.

“ניסויים אלו מוכיחים כי ניתן לשנות את הגודל והצורה של הננו-כוכבים באופן מבוקר באמצעות כוונון נפח זרעי הזהב המוספים לתמיסת הגידול,” אמר החוקר Khoury. “מצאנו כי שינויים בגודל הכוכב השפיעו על אופי הקרינה המוחזרת, עובדה המרמזת כי ניתן לכוונן את התוצאות המתקבלות מתופעה זו.”

לשם מחקרים מסוג זה, או אלו הקיימים בתחומים של זיהומים סביבתיים, ניתן יהיה לקשור תרכובת צבע לננו-כוכבים ולערבבם עם הדגימה הנבחנת. או אז הדגימה תונח תחת מיקרוסקופ ותקבל מנה הגונה של אנרגיית לייזר. חיישנים יוכלו לרשום את תבנית פיזור הראמאן ולפרש את הטביעה האופטית הייחודית של הדגימה.

החוקר מציין כי הננו-כוכבים מספיק קטנים כדי לחדור את דופנות התאים החיים כך שיוכלו לשמש ביישומים מעשיים של אבחון מולקולארי. ננו-כוכבים יוכלו להיקשר לנוגדנים לשם חיפוש של אנטיגנים המתאימים להם, או להיקשר לחומרי-צבע לשם שיפור היעילות של בדיקות דימות שונות.

למרות שהיסוד כסף מגביר את המדידה באופן רחב יותר, החוקרים בחרו דווקא ביסוד זהב מכיוון שהוא מתכת יציבה שאינה מעוררת את התגובה החיסונית בגוף. שלא בדומה לכסף, הזהב אינו מתחמצן בתוך הדגימות.

קבוצת המחקר באוניברסיטת דיוק מפתחת כעת שיטות חדישות לזיהוי כימי ואבחון רפואי תוך שימוש בננו-כוכבים אלו. החוקר הראשי מסביר שמכיוון שלכל תרכובת-תגית ישנה טביעת-אצבע אופטית ייחודית משלה, באופן תיאורטי ניתן יהיה לייצר גלאי יחיד שיוכל לזהות אוסף של סוגי סרטן שונים, כדוגמא, או מזהמים סביבתיים שונים לחלוטין.

הידיעה המקורית מאוניברסיטת דיוק