Биовизуализация - очень распространённый метод для визуализации биологических тканей как «in vivo» (непосредственно в живом организме), так и «in vitro» (вне организма - на образце в пробирке). Главным преимуществом методики является неинвазивность - процедура не требует операционного вмешательства. В медицине давно применяются методы c использованием звуковых волн (УЗИ), электромагнитного излучения различных диапазонов, а также потоки элементарных частиц. Отдельное направление - люминесцентная биовизуализация. Отличительной особенностью такого метода является селективность (направленное воздействие именно на те клетки, которые необходимо), высокая чувствительность (низкие пределы обнаружения и малая погрешность при измерении), а также возможность получения необходимой информации в режиме реального времени без разрушения тканей. Другие современные методы визуализации, такие как магнитно - резонансная и позитронно - эмиссионная томографии, требуют дорогостоящего оборудования и длительного времени экспозиции (времени накопления сигнала). Поэтому с каждым годом стремительно растет актуальность люминесцентной биовизуализации для медицинских применений, таких как анализ клеточных и тканевых функций, адресная доставка лекарств, определение.
В основе люминесцентной биовизуализации лежит маркировка предмета исследования . (например, раковой опухоли) люминесцентной меткой, В качестве которых используются квантовые точки. После того, как квантовые точки прикрепились к исследуемым тканям, их начинают облучать светом с определённой длиной волны (о подборе цвета подробнее написано ниже В разделе «создание биометок»). В процессе облучения электроны в квантовых точках поглощают световую энергию и переходят В энергетическое состояние с большим значением энергии. Через некоторое время возбужденные электроны рекомбинируют с положительно заряженными дырками и возвращаются В первоначальное энергетическое состояние, испуская при этом фотон света с характерной длиной волны, соответствующей значению энергии Еg - ширина запрещённой зоны квантовой точки. Данное излучение детектируется в процессе измерений и основным результатом является изображение исследуемых тканей с указанием на снимке областей обнаруженными патологиями (см. рис. 1).
Биометки - широкий класс биологических молекулярных и наномолекулярных веществ, способных осуществлять направленную (таргетную) доставку детектирующего вещества (в нашем случае - квантовых точек) в заданную часть организма. Для того, чтобы получить из квантовой точки биометку, необходимо химически модифицировать ее поверхность. В результате получается довольно сложная структура, пример которой приведён на рис. 2.
На поверхности любой клетки есть определенный набор молекул, обращённых наружу клетки. Этот набор различен для разных типов клеток. Опухолевые клетки меняют свой набор поверхностных молекул, тем самым становится возможным отличить их от других клеток организма. Такие молекулы принято называть ассоциированными С опухолью. На сегодняшний день разработано большое количество специфических лигандов, способных селективно связываться с такого рода молекулами.
Наиболее высоких результатов по селективности удалось достичь при использовании веществ белковой природы, к которым относятся так называемые антитела, а также, фрагменты антител (их антиген-распознающие части) и прочие искусственно сконструированные связывающие белки. Антитела - это защитные белки-иммуноглобулины, способные избирательно связываться с конкретной мишенью, называемой антигеном. К ним различными способами присоединяют лекарства, метки и пр. Антитело или его фрагмент могут действовать по-разному: блокировать функционирование своей мишени, мешать связыванию с другими белками, привлекать иммунные клетки к опухоли, стимулируя иммунный ответ, и др.
В тандеме с квантовой точкой антитело отвечает за доставку её в определенное место в организме. Спустя какое- то время, которое требуется для достижения биометкой цели, проводят процедуру обнаружения по излучению, испускаемому квантовой точкой. Для этого ткани организма облучают светом, для которого ткани являются прозрачными и с некоторой задержкой во времени детектируют излучение, испущенное квантовыми точками.
