Progetto comune di ricerca

Nanostrutture plasmoniche ibride per imaging biomedicale e sensoristica (HYPNOSIs)

Responsabili di progetto
Fulvio Ratto, Nikolai Khlebtsov
Accordo
RUSSIA - RFBR - Russian Foundation for Basic Research
Bando
CNR/RFBR triennio 2018-2020 2018-2020
Dipartimento
Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i trasporti
Area tematica
Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i trasporti
Stato del progetto
Nuovo

Proposta di ricerca

Le particelle plasmoniche sono considerate un'opzione versatile per soddisfare varie esigenze al crocevia di ottica biomedica, sensoristica ed imaging grazie alle loro elevate efficienze di assorbimento ottico e diffusione della luce. Queste caratteristiche derivano da oscillazioni collettive di elettroni liberi a frequenze risonanti, che si traducono in un'amplificazione dell'intensità ottica di vari ordini di grandezza con dissipazione mediante riscaldamento resistivo o decadimento per emissione radiativa. Inoltre sono largamente inerti da un punto di vista biochimico e dunque stabili nei fluidi biologici e non tossiche in vivo. Tali proprietà giustificano l'enorme interesse che questi materiali hanno ricevuto dalla comunità biomedica.
I recenti sviluppi nella scienza dei materiali hanno portato ad un controllo fine nella sintesi di colloidi di metalli nobili, rendendo ad oggi disponibili sistemi plasmonici con una notevole varietà di dimensioni e forme tra cui nano-cilindri, cages, plates, shells, ecc. a cui corrispondono diversi profili ottici in termini di frequenze di risonanza e relative efficienze di assorbimento ottico e diffusione.
In questo progetto ci proponiamo di sviluppare e testare una serie avanzata di particelle plasmoniche a partire da nanosfere e nanocilindri d'oro fino a ottenere nanocubi o cuboidi di Ag@Au con o senza un guscio poroso di Au (nano-rattles) ottenuti da una reazione di sostituzione galvanica, con un'ottima modulazione di parametri quali: composizione del metallo nobile, presenza di pori, frequenze di risonanza, rapporto superficie/volume ecc.. In particolare, ci proponiamo di ottimizzare queste particelle per due contesti che sono cruciali e complementari in termini di requisiti cioè: 1) rilevazione di biomolecole mediante spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS) e 2) imaging fotoacoustico (PAI).
Le prestazioni per entrambe queste applicazioni (ad es: sensibilità di rilevazione per SERS e accoppiamento termico e fotostabilità per PAI) possono essere largamente migliorate grazie a un controllo accurato nella composizione, forma e caratteristiche delle nanoparticelle impiegate.

SERS per rilevare specie neurotossiche:

Parte di questo progetto sarà dedicata a valutare la fattibilità di una piattaforma SERS per la rilevazione di specie neurotossiche in tracce alla base di malattie neurodegenerative quali morbo di Alzheimer e Parkinson. Aggregati neurotossici di specie proteiche "misfoldate" quali amiloide beta, proteina tau e alfa-sinucleina rappresentano marcatori tipici di queste malattie. L'aggregazione inizia in regioni specifiche del cervello e poi si diffonde in altre aree ma recenti studi indicano che tracce di queste specie migrano anche nei tessuti periferici, compreso liquido cerebrospinale e mucosa olfattiva. Pertanto, l'identificazione di queste specie nei fluidi biologici rappresenta un importante passo in avanti nella diagnosi delle malattie neurodegenerative in una fase precoce, cioè prima che si manifestino i sintomi.
In questo progetto proponiamo di utilizzare nanocubi di Ag@Au con diverso rapporto molare Au/Ag e con o senza un guscio poroso di Au (rattles), funzionalizzati con un reporter Raman così come con anticorpi e/o aptameri per individuare in modo specifico quantità in tracce di specie amiloidi nei fluidi biologici. Recenti risultati pubblicati da IFAC-CNR e dal laboratorio di nanobiotecnologia di IBPPM RAS (LNB-IBPPM) hanno già dimostrato che il confinamento di luce intorno agli angoli di nanocubi di Ag genera segnali Raman di proteine a concentrazione submicromolare [Matteini ACSNano 2017]. Nell'ambito di questo progetto ci proponiamo di controllare composizione, forma e porosità delle particelle Ag@Au e di introdurre una corretta funzionalizzazione per individuare in modo selettivo e ultrasensibile le specie neurotossiche tramite SERS in fluido biologico.

Efficienza e stabilità del contrasto ottico per PAI:

L'imaging molecolare è percepito come una potente soluzione per identificare la distribuzione di mutazioni oncogene o i segni distintivi del microambiente tumorale quali ipossia cronica [Ratto Adv Funct Mater 2015] o angiogenesi. Tuttavia, i metodi attuali, quali risonanza magnetica, SPECT o PET, non sono sostenibili per un uso di massa. Al contrario, PAI rappresenta una tecnica potenzialmente a basso costo e non invasiva e per questo tale da attirare investimenti nel campo dell'imaging medicale.
Il PAI sfrutta sorgenti ottiche impulsate per attivare una cascata di eventi fototermici e termoelastici che generano ultrasuoni, così da combinare la versatilità del contrasto ottico con la profondità di penetrazione dell'ecografia. Recentemente, lo sviluppo di specifici agenti di contrasto per PAI è diventato un argomento di grande interesse. In questo contesto, le particelle plasmoniche sono particolarmente promettenti, grazie alla loro elevata efficienza di assorbimento ottico e biocompatibilità, al successo delle sperimentazioni cliniche e alla possibilità di funzionalizzarle per specifiche malattie, [Centi 2014; Ratto Adv Funct Mater 2015; Ratto Adv Funct Mater 2016]. In particolare, i nanocilindri e le nano-cages d'oro sono stati ad oggi proposti come soluzione ideale. Tuttavia, a seguito dell'assorbimento di impulsi ottici corti, queste particelle tendono a surriscaldarsi e subiscono foto-instabilità, richiedendo un ulteriore sforzo per ottimizzare il loro accoppiamento termico in ambiente fisiologico [Cavigli 2014].
Qui ci proponiamo di ottimizzare una linea di nanocubi e nanorattle di Ag@Au in termini di efficienza e stabilità di conversione fotoacoustica. In particolare, valuteremo nanocilindri di oro e nanorattle di Ag@Au e i loro precursori ottenuti per parziale sostituzione galvanica al fine di migliorare assorbimento ottico e accoppiamento termico in ambiente acquoso.

Obiettivi della ricerca

Lo scopo principale è di consolidare la collaborazione tra i due laboratori per sviluppare soluzioni al crocevia di plasmonica e biofotonica, per superare le attuali limitazioni e creare opportunità nella sensoristica e imaging.
Obiettivi principali sono:
(1) Sviluppo e ottimizzazione di protocolli per realizzare particelle di Ag-Au al fine di superare le limitazioni applicative esistenti e per ottenere maggiore controllo e scalabilità; (2) Messa a punto di piattaforme basate su particelle plasmoniche per il riconoscimento di specie neurotossiche tramite SERS; (3) Sviluppo di un set-up per la caratterizzazione fotoacustica delle particelle con ottimizzazione dei parametri fondamentali e dei loro rivestimenti per PAI; (4) Almeno 4 pubblicazioni congiunte in riviste internazionali peer-reviewed; (5) Almeno 4 contributi congiunti a conferenze internazionali; (6) Almeno 3 giovani scienziati coinvolti e formati in questa iniziativa collaborativa; (7) Una tesi di dottorato di LNB-IBPPM.
La collaborazione sarà garantita dalla lunga esperienza di LNB-IBPPM nella fabbricazione di nuove particelle plasmoniche che completerà le competenze di IFAC-CNR nell'ottica biomedica e nell'integrazione di queste particelle in strumenti per applicazioni teranostiche. Grazie alla rete consolidata di collaborazioni internazionali delle due parti, l'esperienza che emergerà servirà come punto di partenza per la creazione di una base tecnologica avanzata per la partecipazione a iniziative europee.