Nanorør-baserede sensorer kan implanteres under huden i et år

Nitrogenoxid (NO) er et af de vigtigste signalmolekyler i levende celler, at transportere beskeder i hjernen og koordinere immunsystemets funktioner. I mange kræftceller, niveauer er forstyrret, men man ved meget lidt om, hvordan NO opfører sig i både raske og kræftceller.

"Nitrogenoxid har modstridende roller i kræftprogression, og vi har brug for nye værktøjer for bedre at forstå det, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT. "Vores arbejde giver et nyt værktøj til at måle dette vigtige molekyle, og potentielt andre, i selve kroppen og i realtid."

Ledet af postdoc Nicole Iverson, Stranos laboratorium har bygget en sensor, der kan overvåge NO i levende dyr i mere end et år. Sensorerne, beskrevet i 3. november-nummeret af Natur nanoteknologi , kan implanteres under huden og bruges til at overvåge inflammation - en proces, der producerer NO. Dette er den første demonstration af, at nanosensorer kan bruges i kroppen i denne længere periode.

Sådanne sensorer, lavet af kulstof nanorør, kan også tilpasses til at detektere andre molekyler, inklusive glucose. Stranos team arbejder nu på sensorer, der kan implanteres under huden på diabetespatienter for at overvåge deres glukose- eller insulinniveauer, eliminerer behovet for at tage blodprøver.

Sensorer til kort og lang sigt

Carbon nanorør - hule, en nanometer tykke cylindre lavet af rent kulstof - har vakt stor interesse som sensorer. Stranos laboratorium har for nylig udviklet kulstof nanorør-sensorer til en række forskellige molekyler, herunder brintoverilte og giftige stoffer som nervegassen sarin. Sådanne sensorer drager fordel af kulstofnanorørs naturlige fluorescens, ved at koble dem til et molekyle, der binder sig til et specifikt mål. Når målet er bundet, rørenes fluorescens lysner eller dæmpes.

Stranos laboratorium har tidligere vist, at kulstofnanorør kan detektere NO, hvis rørene er pakket ind i DNA med en bestemt sekvens. I det nye blad, forskerne modificerede nanorørene til at skabe to forskellige typer sensorer:en, der kan injiceres i blodbanen til korttidsovervågning, og en anden, der er indlejret i en gel, så den kan implanteres langsigtet under huden.

For at gøre partiklerne injicerbare, Iverson vedhæftede PEG, en biokompatibel polymer, der hæmmer partikelklumpning i blodbanen. Hun fandt ud af, at når hun blev injiceret i mus, partiklerne kan strømme gennem lungerne og hjertet uden at forårsage skade. De fleste partikler akkumuleres i leveren, hvor de kan bruges til at overvåge NO forbundet med betændelse.

"Hidtil har vi kun set på leveren, men vi ser, at det bliver i blodbanen og går til nyrerne. Potentielt kunne vi studere alle forskellige områder af kroppen med denne injicerbare nanopartikel, " siger Iverson.

Den længerevarende sensor består af nanorør indlejret i en gel lavet af alginat, en polymer, der findes i alger. Når denne gel er implanteret under huden på musene, den forbliver på plads og forbliver funktionel i 400 dage; forskerne mener, at det kan holde endnu længere. Denne type sensor kan bruges til at overvåge kræft eller andre inflammatoriske sygdomme, eller for at detektere immunreaktioner hos patienter med kunstige hofter eller andre implanterede anordninger, ifølge forskerne.

Når først sensorerne er i kroppen, forskerne skinner en nær-infrarød laser på dem, producerer et nær-infrarødt fluorescerende signal, der kan aflæses ved hjælp af et instrument, der kan kende forskel på nanorør og anden baggrundsfluorescens.

Overvågning af glukose

Iverson arbejder nu på at tilpasse teknologien til at detektere glukose, ved at vikle forskellige slags molekyler rundt om nanorørene.

De fleste diabetespatienter skal prikke i fingrene flere gange om dagen for at måle blodsukkeret. Mens der er elektrokemiske glukosesensorer tilgængelige, som kan fastgøres til huden, disse sensorer holder højst en uge, og der er risiko for infektion, fordi elektroden gennemborer huden.

Desuden, Strano siger, den elektrokemiske sensorteknologi er ikke nøjagtig nok til at blive inkorporeret i den slags lukkede kredsløbsovervågningssystem, som videnskabsmænd nu arbejder hen imod. Denne type system vil bestå af en sensor, der tilbyder glukoseovervågning i realtid, tilsluttet en insulinpumpe, der kunne levere insulin, når det var nødvendigt, uden behov for fingerstik eller insulininjektion af patienten.

"Den nuværende tankegang er, at alle dele af det lukkede sløjfesystem er på plads bortset fra en nøjagtig og stabil sensor. Der er betydelige muligheder for at forbedre enheder, der nu er på markedet, så et komplet system kan realiseres, " siger Strano.