ננו-חלקיקים רב-תכליתיים

המבנה הראשון אי-פעם המספק אמצעי ננוטכנולוגי רב-תכליתי הן לדימות רפואי והן לריפוי, בו-זמנית פותח באוניברסיטת וושינגטון

כיום מפותחים ננו-חלקיקים לטובת מגוון רחב של שימושים רפואיים – דימות גידולים, הובלת תרופות והקרנת חום נקודתית. במקום להסתפק בכל אחד מהם בנפרד, חוקרים באוניברסיטת וושינגטון מיזגו שני סוגים של ננו-חלקיקים לכדי חומר זעיר אחד. התוצאה הינה המבנה הראשון אי-פעם המספק אמצעי ננוטכנולוגי רב-תכליתי הן לדימות רפואי והן לריפוי, בו-זמנית. המבנה מתואר במאמר שפורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.

“זוהי הפעם הראשונה שבה ננו-חלקיקים מוליכים-למחצה ומתכתיים שולבו בדרך ששימרה את התפקוד הנפרד של כל אחד מהרכיבים השונים,” ציין הכותב הראשי, הפרופסור לביו-הנדסה Xiaohu Gao.

ההתמקדות הנוכחית הינה ביישומים רפואיים, אולם החוקרים הסבירו כי ננו-חלקיקים רב-תכליתיים שכאלו יוכלו לשמש גם בתחומים נוספים כגון חקר אנרגיה עבור פיתוח תאי-שמש.

נקודות קוונטיות הינן כדוריות קורנות (פלואורסצנטיות) של חומר מוליך-למחצה בקוטר של ננומטרים אחדים בלבד – חלק קטן מאורך-הגל של אור נראה. בקנה-מידה זעיר זה, תכונותיהן האופטיות הייחודיות של נקודות קוונטיות מאפשרות להן לפלוט אור בצבעים שונים כתלות בגודלן. נקודות קוונטיות מפותחות עבור דימות רפואי, תאי-שמש ודיודות פולטות אור.

נו-חלקיקי זהב זוהרים שימשו עוד בעת העתיקה בזכוכית צבעונית; לאחרונה מקדמים את השימוש בהם לשם הובלת תרופות, טיפול בדלקת פרקים ודימות רפואי המשתמש בקרינה תת-אדומה. זהב גם מקרין-מחדש חום ובזכות כך יכול לשמש בריפוי רפואי של הקרנת חום נקודתית על תאים בלתי-בריאים.

אולם, אם ממזגים בין נקודה קוונטית לבין ננו-חלקיק, תכונות אלו נעלמות. השדות החשמליים של שני סוגי החלקיקים מפריעים האחד לשני ואף אחד מהם לא מתנהג באופן רגיל. שני הסוגים אומנם שולבו בהצלחה על-גבי משטח בעבר, אולם מעולם לא בחלקיק אחד.

המאמר מתאר שיטת ייצור המשתמשת בחלבונים לשם ציפוי ליבת נקודה קוונטית בשכבת זהב דקיקה המרוחקת ממנה בשלושה ננומטרים, כך שהשדות החשמליים והאופטיים של שני הרכיבים השונים אינם מפריעים האחד לשני. סביר להניח כי הנקודה הקוונטית תשמש עבור דימות פלואורסצנטי. כדורית הזהב תוכל לשמש עבור דימות מבוסס-פיזור, בעל יתרונות מול דימות פלואורסצנטי בנסיבות מסוימות, וכן עבור הובלת חום רפואית.

שיטת הייצור החדשה שפותחה הינה כללית ותוכל להתאים גם לשילובי ננו-חלקיקים אחרים, מציינים החוקרים. “בחרנו באתגר רציני,” אומר החוקר הראשי. “ידוע לכל כי זהב, או כל מתכת אחרת, תגרום לשיכוך הקרינה של נקודה קוונטית, ובכך בעצם תחסל את התכלית שלה.”

החוקרים התגברו על הבעיה הזו באמצעות הכנסת שכבת זהב דקיקה שעוטפת את הנקודה הקוונטית, אך לעולם לא ממש נוגעת בה. הם שלטו בזהירות במרווח שבין שכבת הזהב לבין ליבת ננו-החלקיק באמצעות השימוש בשרשראות פולימר של פוליאתילן גליקול. המרחק שבין ליבת הנקודה הקוונטית לבין יון הזהב הטעון נקבע בהתאם לאורך שרשרת הפולימר ויכול לגדול עם דיוק ננומטרי ע”י הוספת יחידות מבנה לשרשרת. לשכבה החיצונית הם הוסיפו חומצות אמינו קצרות (פולי-היסטידינים) הנקשרות לאטומי הזהב הטעונים. החוקר הראשי משווה את המבנה השלם לביצת זהב, בה הנקודה הקוונטית היא החלמון, הזהב הינו הקליפה והפולימרים ממלאים את החלל שביניהם, בדומה לחלבון ביצה.

השימוש ביונים אפשר לחוקרים להכין שכבת זהב בעובי של שניים-שלושה ננומטרים, שהינה דקיקה מספיק בכדי לאפשר למחצית מהקרינה הפלואורסצנטית של הנקודה הקוונטית לעבור דרכה. “כל השיטות הקיימות משתמשות בננו-חלקיקי זהב במקום ביוני זהב,” מציין החוקר. “ננו-חלקיקי זהב הינם בקוטר של שלושה עד חמישה ננומטרים, ובתוספת “חספוס” טבעי השכבה הדקיקה ביותר שתוכל להגיע אליה הינה בקוטר של חמישה עד שישה ננומטרים. יוני זהב הינם הרבה הרבה יותר קטנים.” הקוטר הכולל של החלקיק המשולב הינו כחמישה-עשר עד עשרים ננומטרים בקירוב, והוא מספיק קטן בכדי שיוכל לחדור לתוככי תא ביולוגי.

השילוב של אטומי (או יוני) זהב מספק אתרי-קישור מהימנים דיים לחיבורן של פרודות ביולוגיות המתכוננות לעבר תאים מסוימים, כגון תאים סרטניים. הזהב יוכל גם להגביר את הקרינה של הנקודה הקוונטית פי חמישה עד עשרה יותר, כפי שנצפה במקרים אחרים בעבר. שכבת הזהב מספקת יתרון נוסף – זהב אינו מזיק לגוף, מאושר לשימוש רפואי ואינו מתפרק עם הזמן בגוף; על-כן, מעטפת זהב תוכל לספק “מיכל” יציב ובלתי-רעיל לננו-חלקיקים המשמשים בגוף, מוסיף החוקר הראשי.

הידיעה מהאוניברסיטה