Syre är viktigt för människors liv, men i kroppen, vissa biologiska miljöförhållanden kan omvandla syre till aggressivt reaktiva molekyler som kallas reaktiva syrearter (ROS), som kan skada DNA, RNA, och proteiner. I vanliga fall, kroppen förlitar sig på molekyler som kallas antioxidanter för att omvandla ROS till mindre farliga kemiska arter genom en process som kallas reduktion. Men ohälsosam livsstil, olika sjukdomar, påfrestning, och åldrande kan alla bidra till en obalans mellan produktionen av ROS och kroppens förmåga att minska och eliminera dem. De resulterande överdrivna nivåerna av ROS orsakar oxidativ stress, som kan störa normala cellulära funktioner och öka risken för sjukdomar som cancer, neurodegeneration, nedsatt njurfunktion, och andra, som alla åtföljs av svår inflammation.

Eftersom oxidativ stress är förknippat med olika allvarliga sjukdomar, dess upptäckt inom levande organ erbjuder en väg till tidig diagnos och förebyggande behandling, och är, Således, en fråga av stort intresse för forskare som arbetar inom biomedicinområdet. Nyligen internationellt samarbete mellan de japanska nationella instituten för kvant- och radiologisk vetenskap och teknologi (QST), Bulgariska vetenskapsakademin, och Sofia University St. Kliment Ohridski i Bulgarien ledde till en lovande teknologi för detta ändamål:en ny kvantsensor. Deras arbete publiceras i den vetenskapliga tidskriften Analytisk kemi , 2021.

Enligt huvudforskaren Dr. Rumiana Bakalova och hennes kollega Dr. Ichio Aoki från QST, "den nya sensorn är lämplig för tidig diagnos av patologier åtföljda av inflammation, såsom infektionssjukdomar, cancer, neurodegeneration, åderförkalkning, diabetes, och nedsatt njurfunktion. "

Sensorn består av en kvantpunkt-halvledarkärna belagd med en ringformad sockerliknande förening som kallas α-cyklodextrin, som i sin tur är bunden till sex redoxkänsliga kemiska grupper som kallas nitroxidderivat. Dessa komponenter har fördelen av gynnsamma säkerhetsprofiler, med cyklodextriner som är godkända för användning i livsmedel och nitroxidderivat anses allmänt ofarliga för levande varelser på grund av deras antioxidantegenskaper.

Nitroxidderivaten får sensorn att ge ON -fluorescenssignaler när den är i reducerat tillstånd och ger ON -magnetiska signaler när den är i ett oxiderat tillstånd. Detta möjliggör detektering av oxidativ stress, eller minskad cell-/vävnadskapacitet, använda metoder som magnetisk resonanstomografi (MRI) och elektronparamagnetisk avbildning (EPR), som kan detektera magnetiska signaler. Den kemiska sensorn är också bunden till en förening som kallas trifenylfosfonium, som hjälper sensorn att komma in i levande celler och fortsätta till mitokondrierna, vilka är de cellulära komponenterna som oftast är ansvariga för att generera ROS, särskilt under patologiska tillstånd.

För att testa deras nya kemiska sensor, forskarna utförde först experiment med kulturer av normala (friska) och cancerösa kolonceller i labbet. För detta använde de sin sensor i oxiderad form. I friska celler, EPR -signaler släcktes; men i cancerceller, de höll sig starka. Detta indikerar att sensorerna reducerades i friska celler av antioxidanter men förblev i sitt oxiderade tillstånd i cancercellerna, vilket i sin tur tyder på att cancercellerna hade en högre oxidativ förmåga.

För att ytterligare testa sensorn, forskarna genomförde experiment med både friska möss och de som hade fötts upp på en diet med högt kolesterol i 2 månader, vilket fick dem att utveckla njurdysfunktion i ett tidigt skede på grund av ihållande inflammation. Jämfört med de friska mössen, mössen med nedsatt njurfunktion uppvisade starkare MR -signaler i sina njurar, vilket tyder på att deras njurar var under större oxidativ stress.

Detta arbete är i ett inledningsskede och mycket forskning krävs innan dessa sensorer kan vara redo för medicinsk användning. Men dessa fynd avslöjar potentialen för sådan teknik. Dr. Bakalova noterar:"Vår sensor är lämplig för att analysera även små redoxobalanser i samband med överproduktion av ROS, via MR. Och medan MRT och CT i sig själva har kunnat diagnostisera njurskador i framskridet stadium, de har ännu inte kunnat visualisera tidiga stadier av dysfunktion. Användningen av vår sond kan hjälpa kliniker att identifiera patienter i ett tidigt skede av njurskador innan de behöver hemodialys eller njurtransplantation. Med ytterligare forskning, vår sensor kan vara nästa generation av redoxkänsliga kontrastsonder för tidig diagnos av njurdysfunktion, och kanske, ett antal andra sjukdomar som åtföljs av inflammation."