Osakesi, mida uuritakse ja millel lasuvad väga suured ootused, nimetatakse superparamagnetilisteks nanoosakesteks. Need on kõige lihtsamalt selgitades magnetid, mille magnetilised omadused esinevad vaid teise magneti juuresolekul. Seega suudab vaid mõni püsi- või elektromagnet superparamagnetilisi osakesi magnetiseerida. Nanoosake on liivaterast miljon korda väiksem. TÜ teadlastele pakuvad huvi väga väikesed paramagnetid ehk nanoosakesed. Miks on oluline, et nanoosakestel oleks magnetilised omadused?

Näiteks uuritakse nanoosakeste kasutusvõimalusi ülipeenetes magnetresonantsuuringutes. Selliste osakeste abiga on võimalik nähtavale tuua ka kõige peenemad verekapillaarsooned. Nendele osakestele on kinnitatud bioloogilisi molekule, mis tunnevad ära veresoone lubjastunud paiga. Kui sellised osakesed süstida vereringesse, siis kuhjuvad need veresoontes just kõrge insuldiriskiga piirkondadesse ja muudavad need MRI masinate jaoks hästi nähtavaks.

Nanoosakesi uuriv TÜ doktorant Rainis Venta selgitab: "Lisaks on osakestele võimalik siduda laadungina kaasa põletikuvastaseid molekule, mis tähendab, et insuldiriskiga piirkonda kuhjuvad osakesed koondavad sinna ka kõrge põletikuvastaste raviainete hulga, vähendades põletikku ja sellega insuldi riski."

Kõige väljapaistvam rakendus on seotud võimalusega siduda osakesed vähirakkude valke tuvastavate antikehade külge. Antikehad ongi molekulid, mis seovad valke. Kui viia sellised antikehad organismi, siis seonduvad ja koonduvad antikehad varem või hiljem vähirakkude pinnale. Koos antikehadega koonduvad sinna ka superparamagnetilised nanoosakesed.

Neid osakesi saab magnetväljas soojenema panna samamoodi nagu mikrolaineahjus saab soojendada toitu. Nõnda tekib võimalus tõsta spetsiifiliste vähikudede temperatuuri kõrge palavikuni nii, et ümbritsevad koed jäävad normaalsele temperatuurile.

"Sel moel on võimalik hävitada vähikude spetsiifiliselt ja palju täpsemalt kui kirurgiliste meetoditega," räägib Venta osakeste potentsiaalist. "Lisaks saab eemaldada või kontrolli all hoida kasvajaid, mis asuvad piirkonnas kuhu kirurgilisel teel ligi ei pääse."

Ka kasvuhormooni kogub kokku magnet

Venta on biokeemik ja üks GreenBead OÜ asutajatest. GreenBead OÜ tegelebki magnetiliste nanoosakeste tootmisega. Firma on välja kasvanud Venta uurimishuvidest. Oma doktoritöös uurib ta TÜ tehnoloogiainstituudi tippteadlase professor Mart Loogi juhendamisel rakutsüklit. Näiteks pidi ta siduma üldlevinud mikromagnetitele antikehi, mis seoksid lahuses kindlaid valke. Vast kõige tuntumaks näiteks antikehade kasulikkusest valkude tuvastamisel on dopinguproov, kus verest on tarvis tuvastada näiteks valgulist kasvuhormooni. Kasvuhormooni on veres võrreldes teiste valkudega väga vähe – kuidas teha nii, et verest kasvuhormooni molekulid kätte saaks?

"Mikromagnetile tuleb asetada just selline antikeha, mis tunneb ära kasvuhormooni," räägib Venta. "Edasi tuleb panna need antikehad vereplasmaga täidetud purki ja oodata kaua vaja, et antikehad kasvuhormoonid ära seoks," selgitab ta. "Siis tuleb asetada purgi äärde magnet ning need nüüdseks magnetiseerunud terakesed liiguvad magneti külge nii, et mina saan kõik muud valgud pealt ära valada ja purgipõhja magneti külge jäänud kasvuhormooni molekulid kätte," lisab ta.

Tihtipeale seovad antikehad ka hoopis muid aineid kui kasvuhormoone. Nanotasandil valitsevad jõud võivad põhjustada antikeha kattumise igasuguste muude biomolekulidega, nii et antikeha pind on täielikult kaetud ja see ei ole võimeline enam kasvuhormooni verest kinni püüdma.

Selliste preparaatide valmistamine ja uurimine on tõelise hoo sisse saanud alles viimase viieteist aasta jooksul. Nende rakendamine toodetes on väga jõudsalt alguse saanud aga alles viimase viie aasta jooksul. Nii on paramagnetilised nanoosakesed jõudnud ka viimasel paaril aastal molekulaarbioloogia "laiatarbekaupade" nimekirja, mida pakuvad tänaseks ka kõige üldisemaid kemikaale vahendavad ettevõtted.

10 000 osakest mahub ühe juuksekarva läbilõikele

GreenBead OÜ arendusmeeskonda kuuluvad lisaks Ventale ka Mart Ustav jr ja Martin Järvekülg. GreenBeadi poolt toodetavad nanomagnetid on läbimõõduga 8 kuni 14 nanomeetrit. Nii väikesed osakesed ongi minimaalse suurusega osakesed, millel saab paramagnetilisi omadusi esineda.

"Ühe juuksekarva läbimõõtu mahub 10 000 meie toodetavat osakest," teeb Venta nanomõõtmed arusaadavaks. "Selliste osakestega toimetamine on arusaadavalt vaevarikas," lisab Venta.

Osakeste kogumise teeb eriti keeruliseks see, et tavaliste tsentrifuugidega ei ole see võimalik. Tarvis läheb terve päeva kestvat ultratsentrifuugimist mitmekümne kuni saja tuhande Maa raskusväljaga võrdse jõu juures. Parem viis osakeste kogumiseks on kasutada magnetvälju. Samas võtab minimaalse suurusega magnetite kogumine või juhtimine nõrkades magnetväljades väga kaua aega. Peab arvestama ka, et analüüs, kus kasutatakse magnetilisi nanoosakesi, ei tohi oma protseduurilt kuigi palju erineda analüüsist, kus kasutatakse mikroosakesi, mis on sadu kordi suurema läbimõõduga. Sageli on nano- ja mikroosakeste kogumiseks sobiv aeg ja kogumiskaugus sarnased.

Magnetvälja tugevus, nagu kõikide muude väljade puhul, kahaneb magnetist eemaldudes mitte kordades, vaid astmeliselt. Kui püüda nanoosakesi rakendada igapäevaselt uuritavates proovides (veeproovid, dopinguproovid, toiduainete proovid, laboratoorsed katsed katseklaasis) või näiteks kliinilises meditsiinis inimeses, peame arvestama analüüsimahtudega 10-1000ml. Võib arvestada, et ühe dopinguproovi maht on umbes 50ml. Analüüsitava piima kogus 10ml. Lisaks on teatud rakukultuuride analüüsimahud kuni 1000ml. Seega kaugus magnetist 2-100 cm. Nii on osakeste magnetiseerimiseks ja kogumiseks minutite või tundide jooksul vaja hoopis tugevamaid välju kui tavalised püsimagnetite väljad. Lihtsad ja kättesaadavad püsimagnetite süsteemid laborites ei ole Venta sõnul piisavalt efektiivsed, et rakendada neid nanobioloogilistes magnetilistes rakendustes.

Osakesi tuleb koguda vastu nende tahtmist

GreenBeadil on õnnestunud osakesi koguda ja preparaatideks toota vaid tänu keemilisele sadestamisele. Kui kasutada teatud pH ja soolsusega lahuseid, on võimalik nanoosakeste, nagu ka biomolekulide, pinnalaengud ja sidemed lahustiga kõrvaldada. Selle tulemusena kukuvad osakesed lahusest välja ja tõmbuvad tuhandete kaupa kokku. Sellisel töötlemisviisil on omad märkimisväärsed miinused - enamasti on osakeste üksteise külge tõmbumine pöördumatu. Vaid mõned vähesed tingimused võimaldavad osakesi uuesti sarnastesse tingimustesse lahustada, kust need pärit olid. Seega, keemiline sadestamine piirab väga paljude osakeste kasutamist.

"Parim viis oleks koguda osakesed kokku nende tahte vastaselt magnetilise väevõimuga ilma nende pinnakeemiat mõjutamata," hindab Venta, "Ja seda tuleks teha küllaltki kiiresti."

GreenBead OÜ on osakeste kogumise probleemiga tegelenud tänaseks juba ligi kolm aastat. "Kuna GreenBead OÜ-l on unikaalne võimalus ühendada ühte meeskonda füüsikuid, insenere ja molekulaarbioloogia praktikuid, otsustasime taotleda Vega Fondist vahendeid laboratoorse kogumisseadme arendustöö käivitamiseks," räägib Venta.

Sellise kogumisseadme ehitamine on Venta sõnul planeeritud teostada neljas etapis.

Praegu käib esimene etapp, kus töötatakse läbi kõik alternatiivsed olemasolevad seadmed ja nende tööpõhimõtted. Kuna tegemist on olemasolevate leiutistega, tuleb täpselt jälgida ka olemasolevate seadmete patente, mis võivad viia läbirääkimistele patendi omanikega. Projekteerimistingimustest lähtuvalt võib alata teine etapp ehk tehniline arvestamine ja projekteerimine. Kolmas etapp – seadme prototüübi ehitamine, sealhulgas unikaalsete seadmeosade disain ja tootmine – on võimalik Tartu teaduspargi Protolabi tingimustes.

Viimane etapp on seadme katsetamine töötingimustel. Katsetamiseks tuleb kasutada nii GreenBead OÜ kui ka nende klientide tööprotsesse. "Kaasame siin mitu osakeste lõpptarbijat ja nende tootmisprotsessi – see etapp on planeeritud aset leidma selle aasta kevadkuudel," avaldab Venta lootust kogumisseadme peatseks valmimiseks.