Målningen som heter Flera cirklar av Vasily Kandinsky (1926) skildrar underbart en typisk situation, där nanopartiklar av olika storlekar och material samexisterar i ett prov. iNTA erbjuder en särskilt hög upplösning för att identifiera dessa olika populationer. Kredit:Max Planck Institute for the Science of Light
Forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) och Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) i Erlangen presenterar ett stort steg framåt i karakteriseringen av nanopartiklar. De använde en speciell mikroskopimetod baserad på interfereometri för att överträffa befintliga instrument. En möjlig tillämpning av denna teknik kan vara att identifiera sjukdomar.
Nanopartiklar finns överallt. De finns i vår kropp som proteinaggregat, lipidvesiklar eller virus. De finns i vårt dricksvatten i form av föroreningar. De finns i luften vi andas som föroreningar. Samtidigt är många läkemedel baserade på leverans av nanopartiklar, inklusive de vacciner vi nyligen har fått. I linje med pandemierna är snabba tester som används för att detektera SARS-Cov-2 också baserade på nanopartiklar. Den röda linjen, som vi övervakar dag för dag, innehåller myriader av guld-nanopartiklar belagda med antikroppar mot proteiner som rapporterar infektion.
Tekniskt sett kallar man något för en nanopartikel när dess storlek (diameter) är mindre än en mikrometer. Föremål i storleksordningen en mikrometer kan fortfarande mätas i ett vanligt mikroskop, men partiklar som är mycket mindre, säg mindre än 0,2 mikrometer, blir oerhört svåra att mäta eller karakterisera. Intressant nog är detta också storleksintervallet för virus, som kan bli så litet som 0,02 mikrometer.
Under årens lopp har forskare och ingenjörer tagit fram ett antal instrument för att karakterisera nanopartiklar. Helst vill man mäta deras koncentration, bedöma deras storlek och storleksfördelning och bestämma deras substans. Ett avancerat exempel är ett elektronmikroskop. Men denna teknik har många brister. Det är mycket skrymmande och dyrt, och studierna tar för lång tid eftersom prover måste förberedas noggrant och försättas i vakuum. Och även då är det fortfarande svårt att bestämma substansen i de partiklar man ser i ett elektronmikroskop.
En snabb, pålitlig, lätt och bärbar enhet som kan användas på läkarmottagningen eller på fältet skulle ha en enorm inverkan. Ett fåtal optiska instrument på marknaden erbjuder sådana lösningar, men deras upplösning och precision har varit otillräcklig för att undersöka mindre nanopartiklar, t.ex. mycket mindre än 0,1 mikrometer (eller på annat sätt sagt 100 nm).
Fördelningen av vesiklar som extraheras från urinen hos en frisk person som en funktion av vesikelstorlek och iSCAT-kontrast (dvs hur starkt de sprider ljus). För närvarande undersöker forskarna sådana distributioner i samband med olika sjukdomar. Kredit:Max Planck Institute for the Science of Light.
En grupp forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light och Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin har nu uppfunnit en ny enhet som ger ett stort steg i karakteriseringen av nanopartiklar. Metoden kallas iNTA, förkortning för Interferometric Nanopartikel Tracking Analysis. Deras resultat rapporteras i majnumret av Nature Methods .
Metoden bygger på interferometrisk detektering av ljuset som sprids av enskilda nanopartiklar som vandrar omkring i en vätska. I ett sådant medium förflyttar termisk energi ständigt partiklar i slumpmässiga riktningar. Det visar sig att det utrymme som en partikel utforskar under en given tid korrelerar med dess storlek. Med andra ord, små partiklar rör sig "snabbare" och täcker en större volym än stora partiklar. Ekvationen som beskriver detta fenomen – Stokes-Einstein-relationen – går tillbaka till början av förra seklet och har sedan dess funnit användning i många tillämpningar. I ett nötskal, om man kunde följa en nanopartikel och samla statistik om dess skakiga bana, skulle man kunna härleda dess storlek. Så utmaningen är att spela in mycket snabba filmer med små partiklar som rör sig förbi.
Forskare vid MPL har utvecklat en speciell mikroskopimetod under de senaste två decennierna, känd som interferometrisk spridningsmikroskopi (iSCAT). Denna teknik är extremt känslig för att upptäcka nanopartiklar. Genom att tillämpa iSCAT på problemet med att sprida nanopartiklar insåg MPL-gruppen att de kan överträffa de befintliga instrumenten på marknaden. Den nya tekniken har ett särskilt försprång när det gäller att dechiffrera blandningar av nanopartiklar med olika storlekar och olika material.
Tillämpningarna av den nya metoden är många. En särskilt spännande tillämpningslinje gäller vehiklar i nanostorlek som utsöndras från celler, de så kallade extracellulära vesiklerna. Dessa är gjorda av ett lipidskal, ungefär som en nano-såpbubbla. Men skalet och den inre vätskan innehåller också proteiner, som berättar om vesiklarnas ursprung, det vill säga från vilket organ eller cellprocess. När proteinmängden och/eller vesikelstorleken avviker från normalområdet kan det vara så att personen är sjuk. Därför är det mycket viktigt att hitta sätt att karakterisera extracellulära vesiklar.
Forskarna vid MPL och MPZPM arbetar nu med att utveckla ett bänksystem för att göra det möjligt för forskare över hela världen att dra nytta av fördelarna med iNTA. + Utforska vidare
