On the dot:Ny kvantesensor giver ny tilgang til tidlig diagnose via billeddannelse

Ilt er afgørende for menneskers liv, men i kroppen, visse biologiske miljøforhold kan omdanne oxygen til aggressivt reaktive molekyler kaldet reactive oxygen species (ROS), som kan beskadige DNA, RNA, og proteiner. Normalt, kroppen er afhængig af molekyler kaldet antioxidanter til at omdanne ROS til mindre farlige kemiske arter gennem en proces kaldet reduktion. Men usund livsstil, forskellige sygdomme, stress, og aldring kan alle bidrage til en ubalance mellem produktionen af ​​ROS og kroppens evne til at reducere og eliminere dem. De resulterende for høje niveauer af ROS forårsager oxidativ stress, som kan forstyrre normale cellulære funktioner og øge risikoen for sygdomme som kræft, neurodegeneration, nyre dysfunktion, og andre, som alle er ledsaget af alvorlig betændelse.

Da oxidativt stress er forbundet med forskellige alvorlige sygdomme, dets påvisning i levende organer tilbyder en vej til tidlig diagnose og forebyggende behandling, og er, dermed, et spørgsmål af betydelig interesse for forskere, der arbejder inden for biomedicin. Nyligt internationalt samarbejde mellem de japanske nationale institutter for kvante- og radiologisk videnskab og teknologi (QST), Bulgarske Videnskabsakademi, og Sofia University St. Kliment Ohridski i Bulgarien førte til en lovende teknologi til dette formål:en ny kvantesensor. Deres arbejde er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Analytisk kemi , 2021.

Ifølge ledende videnskabsmand Dr. Rumiana Bakalova og hendes kollega Dr. Ichio Aoki fra QST, "den nye sensor er velegnet til tidlig diagnose af patologier ledsaget af inflammation, såsom infektionssygdomme, Kræft, neurodegeneration, åreforkalkning, diabetes, og nyresvigt."

Sensoren består af en kvanteprik-halvleder-kerne belagt med en ringformet sukkerlignende forbindelse kaldet α-cyclodextrin, som igen er bundet til seks redoxfølsomme kemiske grupper kaldet nitroxidderivater. Disse komponenter har fordelen ved gunstige sikkerhedsprofiler, med cyclodextriner, der er godkendt til brug i fødevarer, og nitroxidderivater anses generelt for harmløse for levende væsener på grund af deres antioxidantegenskaber.

Nitroxidderivaterne får sensoren til at give ON-fluorescenssignaler, når den er i reduceret tilstand, og giver ON-magnetiske signaler, når den er i en oxideret tilstand. Dette giver mulighed for påvisning af oxidativ stress, eller nedsat celle-/vævskapacitet, ved hjælp af metoder som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og elektron paramagnetisk billeddannelse (EPR), som kan detektere magnetiske signaler. Den kemiske sensor er også bundet til en forbindelse kaldet triphenylphosphonium, som hjælper sensoren med at trænge ind i levende celler og fortsætte til mitokondrierne, som er de cellulære komponenter, der oftest er ansvarlige for at generere ROS, især under patologiske forhold.

For at teste deres nye kemiske sensor, forskerne udførte først eksperimenter med kulturer af normale (sunde) og cancerøse tyktarmsceller i laboratoriet. Til dette brugte de deres sensor i oxideret form. I raske celler, EPR-signaler blev quenchet; men i kræftceller, de holdt sig stærke. Dette indikerer, at sensorerne blev reduceret i raske celler af antioxidanter, men forblev i deres oxiderede tilstand i kræftcellerne, hvilket igen tyder på, at kræftcellerne havde en højere oxidativ kapacitet.

For yderligere at teste sensoren, forskerne udførte eksperimenter med både raske mus og dem, der var blevet opdrættet på en kost med højt kolesterolindhold i 2 måneder, hvilket fik dem til at udvikle nyredysfunktion i et tidligt stadie på grund af vedvarende betændelse. Sammenlignet med de raske mus, musene med nyredysfunktion udviste stærkere MR-signaler i deres nyrer, tyder på, at deres nyrer var under større oxidativt stress.

Dette arbejde er i sin indledende fase, og der kræves meget forskning, før disse sensorer kan være klar til medicinsk brug. Men disse resultater afslører potentialet i en sådan teknologi. Dr. Bakalova bemærker:"Vores sensor er velegnet til at analysere selv små redox-ubalancer forbundet med overproduktion af ROS, via MR. Og mens MR og CT i sig selv har været i stand til at diagnosticere fremskreden nyreskade, de har endnu ikke været i stand til at visualisere tidlige stadier af dysfunktion. Brugen af ​​vores sonde kan hjælpe klinikere med at identificere patienter i det tidlige stadie af nyreskade, før de har brug for hæmodialyse eller nyretransplantation. Med yderligere forskning, vores sensor kan være den næste generation af redox-følsomme kontrastprober til tidlig diagnose af nyredysfunktion, og måske, en række andre sygdomme, der er ledsaget af betændelse."