Precocious GEM:Shape-shifting sensor kan rapportere forhold dybt inde i kroppen

Forskere, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology og National Institutes of Health, har udtænkt og demonstreret en ny, formskiftende sonde, omkring en hundrededel så bred som et menneskehår, som er i stand til følsom, højopløselig fjernbiologisk sansning, der ikke er mulig med nuværende teknologi. Hvis det til sidst bliver udbredt, designet kan have stor indflydelse på forskning inden for medicin, kemi, biologi og teknik. Ultimativt, det kan bruges i klinisk diagnostik.

Til dato, de fleste bestræbelser på at forestille sig stærkt lokaliserede biokemiske tilstande såsom unormal pH* og ionkoncentration - kritiske markører for mange lidelser - er afhængige af forskellige nanosensorer, der sonderes ved hjælp af lys ved optiske frekvenser. Men følsomheden og opløsningen af ​​de resulterende optiske signaler falder hurtigt med stigende dybde i kroppen. Det har begrænset de fleste applikationer til mindre skjulte, mere optisk tilgængelige regioner.

De nye formskiftende sondenheder, beskrevet online i journalen Natur , ** er ikke underlagt disse begrænsninger. De gør det muligt at opdage og måle lokaliserede forhold på molekylskalaen dybt inde i væv, og at observere, hvordan de ændrer sig i realtid.

"Vores design er baseret på helt andre driftsprincipper, "siger NIST's Gary Zabow, der ledede forskningen med NIH -kolleger Stephen Dodd og Alan Koretsky. "I stedet for optisk baseret sansning, formskiftende sonder er designet til at fungere i radiofrekvens (RF) spektrum, specifikt for at kunne påvises med standard nuklear magnetisk resonans (NMR) eller magnetisk resonans imaging (MRI) udstyr. I disse RF -intervaller, signaler er, for eksempel, ikke mærkbart svækket af mellemliggende biologiske materialer. "

Som resultat, de kan blive stærke, karakteristiske signaler fra meget små dimensioner på betydelige dybder eller andre steder umulige at sondre med optisk baserede sensorer.

De nye enheder, kaldet geometrisk kodede magnetiske sensorer (GEM'er), er mikro-ingeniørmetal-gel-sandwich omkring 5 til 10 gange mindre end en enkelt rød blodlegeme, en af ​​de mindste menneskelige celler. Hver består af to separate magnetiske diske, der spænder fra 0,5 til 2 mikrometer (milliontedele af en meter) i diameter og er kun titalls nanometer (milliarder af en meter) tykke.

Mellem diskene er der et afstandsstykke af hydrogel, et polymernetværk, der kan absorbere vand og ekspandere betydeligt; ekspansionsmængden afhænger af gelens kemiske egenskaber og miljøet omkring den. Omvendt det kan også skrumpe som reaktion på ændrede lokale forhold. Hævelse eller krympning af gelen ændrer afstanden (og dermed magnetfeltstyrken) mellem de to diske, og det, på tur, ændrer frekvensen, hvormed protonerne i vandmolekyler omkring og inde i gelen resonerer som reaktion på radiofrekvent stråling. Scanning af prøven med en række frekvenser identificerer hurtigt nanoprobernes nuværende form, effektivt at måle fjernbetingelserne gennem ændringerne i resonansfrekvenser forårsaget af de formændrende midler.

I forsøgene rapporteret i Natur , forskerne testede sensorerne i løsninger med varierende pH, i opløsninger med ionkoncentrationsgradienter, og i et flydende vækstmedium indeholdende levende hunde -nyreceller, da deres metabolisme gik fra normalt til ikke -funktionelt i fravær af ilt. Dette fænomen fik vækstmediet til at forsure, og ændringen over tid blev registreret af GEM'erne og registreret gennem skift i realtid i resonansfrekvenser. Selv for de ikke-optimerede, anvendte første generations prober, frekvensforskydningerne som følge af ændringer i pH var let løselige og størrelsesordener større end nogen tilsvarende frekvensforskydning observeret gennem traditionelle magnetiske resonansspektroskopi -tilgange.

Sporing af stærkt lokaliserede pH -værdier i levende organismer kan være vanskelig. (En blodprøve kan ikke nødvendigvis gøre det, fordi prøven blander blod fra mange steder.) Alligevel kan lokale pH -ændringer give uvurderlige tidlige signaler om mange patologier. For eksempel, pH omkring en kræftcelle er lidt lavere end normalt, og indre betændelse fører generelt til lokal ændring i pH -niveau. Opdagelse af sådanne ændringer kan afsløre, for eksempel, tilstedeværelsen af ​​en uset tumor eller vise, om en infektion har udviklet sig omkring et kirurgisk implantat.

"Selvfølgelig, den slags potentiel brug i levende organismer er stadig langt væk, "Sagde Zabow." Vores data blev taget in vitro. Og nogle potentielle anvendelser af sensorerne er muligvis slet ikke biologiske. Men et langsigtet mål er at forbedre vores teknikker til det punkt, hvor GEM'er kan bruges til biomedicinsk brug. "

Det ville kræve, blandt andet, yderligere miniaturisering. GEM'erne med en diameter på 0,5 til 2 µm i eksperimenterne er allerede små nok til mange in vitro og andre mulige ikke-biologiske anvendelser, samt muligvis for nogle in vivo cellulære relaterede applikationer. Men foreløbige skøn fra eksperimenterne indikerer, at sensorerne kan reduceres væsentligt fra deres nuværende størrelse, og kan tænkes at blive gjort mindre end 100 nanometer i diameter. Det ville åbne op for mange flere biomedicinske applikationer.

Et af de mest betydningsfulde træk ved GEM'er er, at de kan "tunes" i fremstilling for at reagere på forskellige biokemiske tilstande og for at genlyde i forskellige dele af RF -spektret ved at ændre gelsammensætningen og magnetformerne og -materialerne, henholdsvis. Så at placere to forskellige populationer af GEM'er på det samme sted gør det muligt at spore ændringer i to forskellige variabler på samme tid - en kapacitet forskerne demonstrerede ved at placere GEM'er med to forskellige dimensioner på det samme sted og detektere signalerne fra begge samtidigt.

"Ideen er, at du kan designe forskellige sensorer til at måle forskellige ting, effektivt måle et panel af potentielle biomarkører samtidigt, frem for bare en, bedre at skelne mellem forskellige patologier, "Zabow siger." Vi tror, ​​at disse sensorer potentielt kan tilpasses til at måle en række forskellige biomarkører, muligvis inklusive ting som glukose, lokale temperaturer, forskellige ionkoncentrationer, muligvis tilstedeværelse eller fravær af forskellige enzymer og så videre. "

Ron Goldfarb, leder af NIST's Magnetics Group, bemærker, at "arbejdet med geometrisk kodede magnetiske sensorer af Gary Zabow og kolleger er en naturlig forlængelse af forskning offentliggjort af teamet, sammen med NIST's John Moreland, i 2008. Dette arbejde viste, hvordan mikromagneter kan fungere som 'smart tags' for potentielt at identificere bestemte celler, væv eller fysiologiske tilstande. Funktionelt, GEMS i den nuværende indsats er mere avancerede, idet de ændrer deres form som reaktion på stimuli; dermed, de fungerer som måleenheder. Den næste udfordring vil være designoptimering og udvikling af dimensionelt styret, store fabrikationsprocesser for at gøre disse sensorer bredt tilgængelige for forskere. "