Kväveoxid (NO) är en av de viktigaste signalmolekylerna i levande celler, föra meddelanden i hjärnan och koordinera immunsystemets funktioner. I många cancerceller, nivåer störs, men väldigt lite är känt om hur NO beter sig i både friska och cancerceller.

"Kväveoxid har motsägelsefulla roller i cancerprogression, och vi behöver nya verktyg för att bättre förstå det, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT. "Vårt arbete ger ett nytt verktyg för att mäta denna viktiga molekyl, och potentiellt andra, i kroppen själv och i realtid."

Leds av postdoc Nicole Iverson, Stranos labb har byggt en sensor som kan övervaka NO hos levande djur i mer än ett år. Sensorerna, beskrivs i 3 november -numret av Naturens nanoteknik , kan implanteras under huden och användas för att övervaka inflammation - en process som producerar NO. Detta är den första demonstrationen av att nanosensorer kan användas i kroppen under denna långa tidsperiod.

Sådana sensorer, gjord av kolnanorör, kan också anpassas för att detektera andra molekyler, inklusive glukos. Stranos team arbetar nu med sensorer som kan implanteras under huden på diabetespatienter för att övervaka deras glukos- eller insulinnivåer, eliminerar behovet av att ta blodprover.

Sensorer för kort och lång sikt

Kolnanorör – ihåliga, en nanometer tjocka cylindrar gjorda av rent kol – har rönt stort intresse som sensorer. Stranos labb har nyligen utvecklat kolnanorörssensorer för en mängd olika molekyler, inklusive väteperoxid och giftiga ämnen som nervgasen sarin. Sådana sensorer drar fördel av kolnanorörens naturliga fluorescens, genom att koppla dem till en molekyl som binder till ett specifikt mål. När målet är bundet, rörens fluorescens ljusnar eller dämpas.

Stranos laboratorium har tidigare visat att kolnanorör kan upptäcka NO om rören är insvepta i DNA med en viss sekvens. I den nya tidningen, forskarna modifierade nanorören för att skapa två olika typer av sensorer:en som kan injiceras i blodomloppet för korttidsövervakning, och en annan som är inbäddad i en gel så att den kan implanteras långvarigt under huden.

För att göra partiklarna injicerbara, Iverson bifogade PEG, en biokompatibel polymer som hämmar partikelklumpning i blodomloppet. Hon fann att när den injicerades i möss, partiklarna kan strömma genom lungorna och hjärtat utan att orsaka någon skada. De flesta partiklar ackumuleras i levern, där de kan användas för att övervaka NO i samband med inflammation.

"Hittills har vi bara tittat på levern, men vi ser att det stannar i blodomloppet och går till njurarna. Potentiellt skulle vi kunna studera alla olika delar av kroppen med denna injicerbara nanopartikel, " säger Iverson.

Långtidssensorn består av nanorör inbäddade i en gel gjord av alginat, en polymer som finns i alger. När denna gel har implanterats under huden på mössen, den stannar på plats och förblir funktionell i 400 dagar; forskarna tror att det kan pågå ännu längre. Denna typ av sensor kan användas för att övervaka cancer eller andra inflammatoriska sjukdomar, eller för att upptäcka immunreaktioner hos patienter med konstgjorda höfter eller andra implanterade enheter, enligt forskarna.

När sensorerna väl sitter i kroppen, forskarna lyser med en nära-infraröd laser på dem, producerar en nära-infraröd fluorescerande signal som kan läsas med ett instrument som kan se skillnad mellan nanorör och annan bakgrundsfluorescens.

Övervakning av glukos

Iverson arbetar nu med att anpassa tekniken för att detektera glukos, genom att linda olika sorters molekyler runt nanorören.

De flesta diabetespatienter måste sticka i fingrarna flera gånger om dagen för att mäta blodsocker. Även om det finns elektrokemiska glukossensorer tillgängliga som kan fästas på huden, dessa sensorer varar högst en vecka, och det finns risk för infektion eftersom elektroden tränger igenom huden.

Vidare, Strano säger, den elektrokemiska sensortekniken är inte tillräckligt noggrann för att kunna införlivas med den typ av övervakningssystem med slutna kretsar som forskare nu arbetar mot. Denna typ av system skulle bestå av en sensor som erbjuder glukosövervakning i realtid, ansluten till en insulinpump som skulle leverera insulin vid behov, utan behov av fingerprickning eller insulininjektion av patienten.

"Den nuvarande tanken är att varje del av det slutna systemet är på plats förutom en noggrann och stabil sensor. Det finns stora möjligheter att förbättra enheter som nu finns på marknaden så att ett komplett system kan realiseras, " säger Strano.