×
Меняющие форму нанозонды могут диагностировать организм с помощью магнитных полей

Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Национального института здоровья (NIH) разработали новый тип нанозондов, которые меняют форму, сообщая о состоянии здоровья человека, при этом находясь внутри самого человека. Биологическое зондирование передает данные с высокой тщательностью, которой не достичь внешним сенсорам и датчикам. При этом с учетом современных технологий нанозонды могут оставаться в организме человека столько времени, сколько потребуется без вреда для здоровья и отторжения иммунной системой, потому что размер их меньше одной десятой эритроцита (клетки крови).



Нанозонды предназначены для обеспечения обратной связи с внешними датчиками через магнитные поля при взаимодействии друг с другом. Это как отрицательный и положительные заряды, которые, соприкасаясь друг с другом, вырабатывают энергию (в данном случае информацию) о состоянии здоровья человека в тех или иных областях.



Исследователи предсказывают распространение данной технологии нанозондов помимо медицины также в области химии, биологии, инженерии. Но особая надежда на то, что однажды нанозонды станут помогать врачам в высокоточной диагностике.



Нанозонды состоят из продублированных геометрически и кодированных магнитных датчиков, которые благодаря микроинженерии построены из пластин магнитных металлических дисков размером от 0,5 до 2 мкм в диаметре и всего десятков нанометров. Они формируются по обе стороны от полимерного геля, чтобы создать миниатюрный зажатый компонент. Он, собственно, и передает информацию, которую могут считывать внешние приборы.



Более конкретно, полимер представляет собой слой гидрогеля и сеть полимерных цепей, которые являются гидрофильными (могут поглощать воду) и способны расширяться в значительной степени в зависимости от уровня влажности в окружающей среде, в которой они используются. Кроме того, гель может также сжиматься, когда среда вокруг него с низким содержанием влаги. Таким образом, расширяясь или сжимаясь, этот гель изменяет расстояние между двумя магнитными дисками, а те, в свою очередь, увеличивают или уменьшают магнитное поле.

Это изменение в напряженности магнитного поля влияет на резонансную частоту протонов, содержащихся в молекулах воды внутри и вокруг геля в ответ на радиочастотное излучение. В результате сканирования среды со множеством разных частот микрозонд позволяет быстро идентифицировать объект и передать о нем информацию. Например, об опухолях, камнях в почках, закупорках в сердце и многих других проблемах. Одно дело, когда при УЗИ хорошо видны крупные инородные тела в организме человека, и совсем другой уровень диагностики необходим на ранних стадиях развития заболевания. Вот эту информацию и могут предоставить нанозонды. На практике это позволяет диагностировать начальные стадии рака или болезней сердца, когда внешних проявлений еще нет никаких.



Преимущество нанозондов – в излучаемом ими диапазоне информации. Многие существующие технологии визуализации основываются на биохимической среде, ставя диагноз при изучении ненормальной кислотности или щелочности и концентрации ионов. По другой технологии датчики полагаются на частоту отображения света или видимых частот, чего недостаточно при низкой концентрации материала. Нанодатчики же анализируют объект, исходя из любого количества материала, и могут проникнуть в любое место для диагностики благодаря своей малой конструкции вместе с кровотоком или любыми другими жидкостями, что делает их легкодоступными и более функциональными. При этом в организм человека не надо вводить никаких химических добавок, вредящих организму, которые помогают подсвечивать пораженные области, как этого требуют прочие системы диагностирования.



«Наша конструкция основана на совершенно разных принципах работы, – говорит доктор Гэри Забов (Garry Zabow), старший научный сотрудник NIST. – Вместо того чтобы заставлять нанозонды рассматривать объект зондирования, мы заставляем его излучать необходимую частоту при обнаружении конкретных неполадок в организме. Услышать волну намного проще, чем увидеть картинку, которую необходимо подсвечивать при применении технологий типа ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или магнитно-резонансной томографии (МРТ). Нанозонды дают неоспоримое преимущество, не влияя на организм человека».



Нанозонды даже первого поколения могут определять частотные сдвиги намного лучше, чем имеющиеся в настоящее время методы магнитного резонанса.



Ниже на видео показан принцип работы нанозондов.

 

«Конечно, до потенциального использования нанозондов в живых организмах все еще далеко, – говорит д-р Забов. – Наши возможности пока ограничиваются созданием искусственных условий для диагностики, но долгосрочная цель состоит в том, чтобы улучшить наши методы и совершенствовать доставку нанозондов к исследуемому объекту для биологических применений».



Для этой цели ученые хотят еще на порядок уменьшить размер нанозондов, чтобы они могли свободно проникать в более плотные структуры типа костей, камней, а не только в мягкие ткани. К примеру, чтобы нанозонды проникли свободно в камень в почках, их надо уменьшить еще в 100 раз. Но и при этом они не потеряют своей функциональности, все так же передавая необходимые частоты на внешние датчики.



«Также идея создания нанодатчиков состоит в том, чтобы мы могли разрабатывать различные датчики для измерения разнообразных вещей, чтобы эффективно оценивать панель потенциальных биомаркеров одновременно, а не по одному, и лучше различать разные патологии. Сигнал от нескольких датчиков всегда точнее, чем только от одного, – говорит доктор Забов. – Мы считаем, что эти датчики могут потенциально быть адаптированы для измерения множества различных маркеров. В том числе для отображения таких параметров,  как уровень глюкозы, местной температуры, различных концентраций ионов, присутствия различных ферментов и так далее».



Будущая работа команды направлена как на дальнейшую миниатюризацию нанозондов, так и на адаптацию технологии под большое количество форм-факторов. Одно ясно точно – нанозонды вскоре будут коммерчески доступны и будут использоваться в медицине при диагностике. Если же нанозонды при этом будут выполнять еще и функции смарт-тегов, помечая конкретные проблемные области и определяя тип проблемы, то это будет первый автономный человеческий анализатор, о существовании которого человек может даже не подозревать до момента посещения поликлиники. В то же время команда ученых хочет, чтобы подобная разработка была широкодоступна для всех слоев населения.

Результаты этого исследования были недавно опубликованы в журнале Nature.

 

Автор: Степан Мазур