Medan många människor älskar färgglada foton av landskap, blommor eller regnbågar, vissa biomedicinska forskare värdesätter levande bilder i mycket mindre skala – så liten som en tusendel av ett hårstrå.

För att studera mikrovärlden och hjälpa till att främja medicinsk kunskap och behandlingar, dessa forskare använder fluorescerande partiklar i nanostorlek.

Kvantprickar är en typ av nanopartiklar, mer kända för deras användning i TV-skärmar. De är super små kristaller som kan transportera elektroner. När UV-ljus träffar dessa halvledande partiklar, de kan avge ljus i olika färger.

Denna fluorescens gör det möjligt för forskare att använda dem för att studera dolda eller på annat sätt kryptiska delar av celler, organ och andra strukturer.

Jag är en del av en grupp av forskare inom nanoteknik och neurovetenskap vid University of Washington som undersöker hur kvantprickar beter sig i hjärnan.

Vanliga hjärnsjukdomar beräknas kosta USA nästan 800 miljarder USD årligen. Dessa sjukdomar – inklusive Alzheimers sjukdom och neuroutvecklingsstörningar – är svåra att diagnostisera eller behandla.

Nanoskalaverktyg, som kvantprickar, som kan fånga nyansen i komplicerade cellaktiviteter lovar som hjärnavbildningsverktyg eller läkemedelsleveransbärare för hjärnan. Men eftersom det finns många skäl att vara orolig över deras användning inom medicin, främst relaterat till hälsa och säkerhet, det är viktigt att ta reda på mer om hur de fungerar i biologiska system.

Kvantprickar som nästa generations färgämnen

Forskare upptäckte kvantprickar först på 1980-talet. Dessa små partiklar skiljer sig från andra kristaller genom att de kan producera olika färger beroende på deras storlek. De är så små att de ibland kallas noll-dimensionella eller konstgjorda atomer.

Den vanligaste användningen av kvantprickar nuförtiden kan vara TV-skärmar. Samsung lanserade sina QLED-TV 2015, och några andra företag följde inte långt efter. Men forskare har tittat på kvantprickar i nästan ett decennium. På grund av sina unika optiska egenskaper kan de producera tusentals ljusa, skarpa fluorescerande färger – forskare började använda dem som optiska sensorer eller bildsonder, särskilt inom medicinsk forskning.

Forskare har länge använt olika färgämnen för att märka celler, organ och andra vävnader för att se kroppens inre funktioner, oavsett om det är för diagnos eller grundforskning.

De vanligaste färgämnena har några betydande problem. För en, deras färg kan ofta inte överleva mycket länge i celler eller vävnader. De kan blekna på några sekunder eller minuter. För vissa typer av forskning, som att spåra cellbeteenden eller tillföra droger i kroppen, dessa organiska färgämnen håller helt enkelt inte tillräckligt länge.

Kvantprickar skulle lösa dessa problem. De är mycket ljusa och bleknar mycket långsamt. Deras färg kan fortfarande sticka ut efter en månad. Dessutom, de är för små för att fysiskt påverka rörelsen av celler eller molekyler.

Dessa egenskaper gör kvantprickar populära inom medicinsk forskning. Numera används kvantprickar främst för högupplöst 3D-avbildning av celler eller molekyler, eller spårningssonder i realtid i eller utanför djurkroppar som kan pågå under en längre period.

Men deras användning är fortfarande begränsad till djurforskning, eftersom forskare är bekymrade över deras användning på människor. Kvantprickar innehåller vanligtvis kadmium, en tungmetall som är mycket giftig och cancerframkallande. De kan läcka den giftiga metallen eller bilda ett instabilt aggregat, orsakar celldöd och inflammation. Vissa organ kan tolerera en liten mängd av detta, men hjärnan tål inte en sådan skada.

Hur kvantprickar beter sig i hjärnan

Mina kollegor och jag tror att ett viktigt första steg mot en bredare användning av kvantprickar inom medicin är att förstå hur de beter sig i biologiska miljöer. Det kan hjälpa forskare att designa kvantprickar som är lämpliga för medicinsk forskning och diagnostik:När de injiceras i kroppen, de behöver förbli små partiklar, vara inte särskilt giftiga och kunna rikta in sig på specifika celltyper.

Vi tittade på stabiliteten, toxicitet och cellulära interaktioner av kvantprickar i de utvecklande hjärnorna hos råttor. Vi lindade in de små kvantprickarna i olika kemiska "rockar". Forskare tror att dessa rockar, med sina olika kemiska egenskaper, kontrollera hur kvantprickar interagerar med den biologiska miljön som omger dem. Sedan utvärderade vi hur kvantprickar fungerade i tre vanliga hjärnrelaterade modeller:cellkulturer, råtta hjärnskivor och enskilda levande råttor.

Vi fann att olika kemiska beläggningar ger kvantprickar olika beteenden. Kvantprickar med en polymerbeläggning av polyetylenglykol (PEG) var de mest lovande. De är mer stabila och mindre giftiga i råtthjärnan, och vid en viss dos inte döda celler. Det visar sig att PEG-belagda kvantprickar aktiverar en biologisk väg som ökar produktionen av en molekyl som avgiftar metall. Det är en skyddsmekanism inbäddad i cellerna som råkar avvärja skador av kvantprickar.

Kvantprickar "äts" också av mikroglia, hjärnans inre immunceller. Dessa celler reglerar inflammation i hjärnan och är involverade i flera hjärnsjukdomar. Kvantprickar transporteras sedan till mikroglians lysosomer, cellens soptunnor, för nedbrytning.

Men vi upptäckte också att beteendet hos kvantprickar varierar något mellan cellkulturer, hjärnskivor och levande djur. De förenklade modellerna kan visa hur en del av hjärnan reagerar, men de ersätter inte hela orgeln.

Till exempel, cellkulturer innehåller hjärnceller men saknar de anslutna cellulära nätverk som vävnader har. Hjärnskivor har mer struktur än cellkulturer, men de saknar också hela organets blod-hjärnbarriär - dess "stora mur" som hindrar främmande föremål från att komma in.

Vad är framtiden för kvantprickar?

Våra resultat ger en varning:Nanomedicinsk forskning i hjärnan är meningslös utan att noggrant överväga organets komplexitet.

Som sagt, vi tror att våra resultat kan hjälpa forskare att designa kvantprickar som är mer lämpade för användning i levande hjärnor. Till exempel, vår forskning visar att PEG-belagda kvantprickar förblir stabila och relativt ogiftiga i levande hjärnvävnad samtidigt som de har bra bildprestanda. Vi föreställer oss att de kan användas för att spåra rörelser i realtid av virus eller celler i hjärnan.

I framtiden, tillsammans med MR- eller datortomografi, kvantprickar kan bli viktiga bildverktyg. De kan också användas som spårbara bärare som levererar läkemedel till specifika celler. I sista hand, fastän, för kvantprickar att inse sin biomedicinska potential bortom forskning, forskare måste ta itu med hälso- och säkerhetsproblem.

Även om det är långt kvar, mina kollegor och jag hoppas att framtiden för kvantprickar kan vara lika ljus och färgstark som de konstgjorda atomerna själva.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.