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jueves, 10 de octubre de 2013

DETECCIÓN DEL NIVEL DE HIERRO EN LA SANGRE MEDIANTE NANODIAMANTES


Imagen de microscopio de nanodiamantes, cada uno mide aproximadamente 100 micras de diámetro [una micra o micrómetro es la millonésima parte del metro [µm], Los defectos específicos de la red no sólo imparten un color de los diamantes, también proporcionan la base del campo magnético del sensor. Las porciones de estos nanodiamantes fueron obtenidos por el equipo de la Universidad de Ulm en pelotas de 20 nm [nanómetros]. Crédito: Cortesía de Fedor Jelezko 

 Un grupo internacional de investigadores ha desarrollado un biosensor  de nanodiamantes que puede determinar el contenido de hierro en la sangre. El sensor utiliza defectos en los pequeños diamantes para detectar una proteína particular que almacena hierro en la sangre y que también se encuentra en muchos tipos de organismos vivos. Los investigadores esperan ampliar la tecnología del sensor para permitir la detección de otras proteínas.
El hierro abunda en la mayoría de los organismos vivos - y las proteínas que contienen el metal se encuentran en todo, desde los micro-organismos unicelulares a los seres humanos. En los seres humanos, las deficiencias de hierro son causadas principalmente por la mala nutrición pudiendo conducir a la anemia, mientras que un aumento del nivel de hierro puede indicar la presencia de una respuesta inflamatoria aguda. Por lo tanto, la medición precisa de los niveles de hierro en la sangre es una esencial herramienta de diagnóstico médico.

Detección
Sin embargo, la detección de proteínas individuales específicas en  las muestras biológicas no es poca cosa; los métodos actuales implican el uso de marcadores orgánicos - tintes fluorescentes y proteínas - o puntos cuánticos. En cambio, los marcadores tienden a la lejía después de haber sido usados durante un tiempo y los puntos cuánticos pueden degradar la muestra. Los análisis de sangre estándar implican la detección de una proteína, conocida como ferritina, responsable del almacenamiento y el transporte de hierro pudiendo contener hasta 4.500 iones de hierro magnéticos. Gracias a la utilización de los colorantes orgánicos o los puntos cuánticos, los resultados pueden ser poco concluyentes, ya que indirectamente infieren las cantidades de hierro.
Un equipo dirigido por el físico Fedor Jelezko en la Universidad de Ulm en Alemania, junto con colegas de China, ha desarrollado un método para detectar la ferritina con diamantes de tamaño nanométrico que contienen imperfecciones de la red conocidos como defectos de nitrógeno vacantes (NV). Estos defectos se producen cuando dos átomos de carbono vecinos en el diamante se sustituyen por un átomo de nitrógeno y dejando un sitio de celosía vacío. Tales sitios NV son capaces de detectar campos magnéticos débiles. Esto fue precisamente lo que los investigadores estaban buscando, ya que cada átomo de hierro ferritina con destino genera un pequeño campo magnético que normalmente es difícil de medir.

Sitios especiales
Jelezko dijo a  physicsworld.com que los sitios NV fueron cruciales para el desarrollo del nuevo sensor. Por ello, los investigadores de la Universidad de  Ulm emparejados con Huan-Cheng Chang y sus colegas de la Academia Sinica en Taiwán, irradiaron los nanodiamantes que estaban disponibles comercialmente, con iones pesados ​​creando así las NVs.
Espectro estelar
Como una evidencia de la prueba de principio de los investigadores, utilizaron los nanodiamantes para detectar una muestra purificada de la proteína ferritina en lugar de una muestra obtenida directamente de la sangre. Para ello, Jelezko y sus colegas tuvieron que encontrar una manera de absorber la ferritina en la superficie del diamante. Esto se hizo utilizando las interacciones electrostáticas entre las nano-diamantes y las proteínas ferritina, dando como resultado un enlace no covalente formado entre la superficie del diamante y un grupo amino en la proteína. Los investigadores detectaron entonces la ferritina a través del "ruido magnético" generado por los átomos de hierro en la proteína al  someterlos a un constante tirón  durante sus momentos magnéticos inestables.
"Esencialmente Medimos la amplitud del ruido magnético en los sitios NV", dice Jelezko. También señala que, si bien en la mayoría de experimentos de ruido de cualquier tipo es un obstáculo, en este caso es crucial. "De hecho, no sólo detectar la amplitud, sino también la frecuencia y por lo tanto el espectro del ruido," dice Jelezko. Explica, además, que los investigadores pueden utilizar sus resultados para calcular el número de átomos que son responsables para generar el ruido – a mayor cantidad de átomos, mayor es la frecuencia de la voltea. Jelezko compara esta técnica a la astronomía, donde el espectro de una estrella revela su composición y procesos internos."No tocamos el hierro dentro de la proteína, que mide el ruido que sale en lugar y por eso tenemos una técnica sin contacto", dice. 


Imagen: Diamantes de tamaño nanométrico que contienen centros vacantes de defectos de nitrógeno [NV] determinados por nanosensores  que prometen un entorno biológico debido a su biocompatibilidad, fluorescencia brillante y alta sensibilidad magnética en condiciones ambientales optimas. Aquí… (*) Crédito: Nano Letters

Detección Directa
El equipo observó una reducción significativa tanto en la coherencia y el tiempo de relajación del espín de un NV causado por la presencia de la ferritina - de hecho, el efecto observado era lo suficientemente grande para una sola molécula de ferritina cerca del sensor para ser detectada. Los investigadores también utilizaron un modelo teórico para validar el método, para asegurar que las señales que se midieron fueron consistentes con la presencia de la ferritina.
El nuevo trabajo muestra que los biosensores NV son un desarrollo prometedor gracias a su bio-compatibilidad y alta sensibilidad magnética en condiciones ambientales optimas. Jelezko dice que el método pronto podría ser utilizado para detectar hierro en muestras de sangre en forma directa, colocando simplemente el nanodiamante en una muestra de sangre y luego lavar todo la ferritina;  o mediante la creación de un canal de microfluidos en el diamante para enviarlo a través de la muestra. También piensa que los ensayos clínicos con muestras de sangre real podrían llevarse a cabo con facilidad, sobre todo gracias al hecho de que se requiere sólo una pequeña muestra. Por el momento, el equipo estudia otras proteínas y sustancias de la sangre, que ouedan detectarse mediante el sensor.
La investigación  liderada por A. Ermakova, G. Pramanik, F. Jelezko et al., fue publicada en la revista Nano Letters . bajo el título “Detection of a Few Metallo-Protein Molecules Using Color Centers in Nanodiamonds”  DOI:10.1021/nl4015223
Fuente: Compilado de Physics World [Reportero Tushna Comisario]

Traducción libre de SOCA