Nanoingeniører booster signaler fra fluorescerende sensorer

Fluorescerende sensorer, som kan bruges til at mærke og afbilde en lang række molekyler, giver et unikt indblik i levende celler. De kan dog typisk kun bruges i celler dyrket i en laboratoriefad eller i væv tæt på kroppens overflade, fordi deres signal går tabt, når de implanteres for dybt.

MIT-ingeniører har nu fundet på en måde at overvinde denne begrænsning. Ved at bruge en ny fotonisk teknik, de udviklede til at excitere enhver fluorescerende sensor, var de i stand til dramatisk at forbedre det fluorescerende signal. Med denne tilgang viste forskerne, at de kunne implantere sensorer helt ned til 5,5 centimeter i væv og stadig få et stærkt signal.

Denne form for teknologi kunne gøre det muligt at bruge fluorescerende sensorer til at spore specifikke molekyler inde i hjernen eller andre væv dybt inde i kroppen, til medicinsk diagnose eller overvågning af lægemiddeleffekter, siger forskerne.

"Hvis du har en fluorescerende sensor, der kan undersøge biokemisk information i cellekultur eller i tynde vævslag, giver denne teknologi dig mulighed for at oversætte alle disse fluorescerende farvestoffer og prober til tykt væv," siger Volodymyr Koman, en MIT-forsker og en af hovedforfatterne til den nye undersøgelse.

Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 er også hovedforfatter af papiret, der i dag vises i Nature Nanotechnology . Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT, er seniorforfatter af undersøgelsen.

Forbedret fluorescens

Forskere bruger mange forskellige slags fluorescerende sensorer, herunder kvanteprikker, kulstofnanorør og fluorescerende proteiner, til at mærke molekyler inde i celler. Disse sensorers fluorescens kan ses ved at skinne laserlys på dem. Dette virker dog ikke i tykt, tæt væv eller dybt inde i væv, fordi væv i sig selv også udsender noget fluorescerende lys. Dette lys, kaldet autofluorescens, overdøver signalet fra sensoren.

"Alt væv autofluorescerer, og dette bliver en begrænsende faktor," siger Koman. "Efterhånden som signalet fra sensoren bliver svagere og svagere, bliver det overhalet af vævets autofluorescens."

For at overvinde denne begrænsning kom MIT-teamet med en måde at modulere frekvensen af ​​det fluorescerende lys, der udsendes af sensoren, så det lettere kan skelnes fra vævets autofluorescens. Deres teknik, som de kalder bølgelængde-induceret frekvensfiltrering (WIFF), bruger tre lasere til at skabe en laserstråle med en oscillerende bølgelængde.

Når denne oscillerende stråle skinner på sensoren, får det den fluorescens, der udsendes af sensoren, til at fordoble sin frekvens. Dette tillader det fluorescerende signal let at blive plukket ud fra baggrundens autofluorescens. Ved at bruge dette system var forskerne i stand til at forbedre sensorernes signal-til-støj-forhold mere end 50 gange.

En mulig anvendelse for denne form for sansning er at overvåge effektiviteten af ​​kemoterapimedicin. For at demonstrere dette potentiale fokuserede forskerne på glioblastom, en aggressiv type hjernekræft. Patienter med denne type kræft gennemgår normalt en operation for at fjerne så meget af tumoren som muligt, og modtager derefter kemoterapilægemidlet temozolomid (TMZ) for at forsøge at fjerne eventuelle resterende kræftceller.

Dette lægemiddel kan have alvorlige bivirkninger, og det virker ikke for alle patienter, så det ville være nyttigt at have en måde til nemt at overvåge, om det virker eller ej, siger Strano.

"Vi arbejder på teknologi til at lave små sensorer, der kunne implanteres i nærheden af ​​selve tumoren, som kan give en indikation af, hvor meget lægemiddel der kommer til tumoren, og om det bliver metaboliseret. Man kunne placere en sensor i nærheden af ​​tumoren og verificere fra uden for kroppen lægemidlets virkning i det faktiske tumormiljø," siger han.

Når temozolomid kommer ind i kroppen, bliver det nedbrudt til mindre forbindelser, herunder en kendt som AIC. MIT-holdet designede en sensor, der kunne detektere AIC, og viste, at de kunne implantere den så dybt som 5,5 centimeter i en dyrehjerne. De var i stand til at læse signalet fra sensoren selv gennem dyrets kranium.

Sådanne sensorer kunne også designes til at detektere molekylære signaturer af tumorcelledød, såsom reaktionsiltarter.

"Enhver bølgelængde"

Ud over at detektere TMZ-aktivitet demonstrerede forskerne, at de kunne bruge WIFF til at forbedre signalet fra en række andre sensorer, herunder kulstof-nanorør-baserede sensorer, som Stranos laboratorium tidligere har udviklet til at detektere hydrogenperoxid, riboflavin og ascorbinsyre.

"Teknikken virker ved enhver bølgelængde, og den kan bruges til enhver fluorescerende sensor," siger Strano. "Fordi du har så meget mere signal nu, kan du implantere en sensor i dybder i væv, som ikke var muligt før."

Til denne undersøgelse brugte forskerne tre lasere sammen til at skabe den oscillerende laserstråle, men i fremtidigt arbejde håber de at bruge en afstembar laser til at skabe signalet og forbedre teknikken yderligere. Dette burde blive mere gennemførligt, efterhånden som prisen på justerbare lasere falder, og de bliver hurtigere, siger forskerne.

For at hjælpe med at gøre fluorescerende sensorer nemmere at bruge hos menneskelige patienter, arbejder forskerne på sensorer, der er biologisk resorberbare, så de ikke behøver at blive fjernet kirurgisk. + Udforsk yderligere

Bærbar fluorescerende sonde identificerer dårlig madolie