Forskare som arbetar vid National Institute of Standards and Technology och National Institutes of Health har utarbetat och demonstrerat en ny, formskiftande sond, ungefär en hundradel så brett som ett människohår, som är kapabel att känsliga, högupplöst biologisk fjärravkänning som inte är möjlig med nuvarande teknik. Om den så småningom används i stor utsträckning, designen kan ha stor inverkan på forskning inom medicin, kemi, biologi och teknik. I sista hand, det kan användas i klinisk diagnostik.

Hittills, De flesta ansträngningar för att avbilda mycket lokaliserade biokemiska tillstånd som onormalt pH* och jonkoncentration – kritiska markörer för många störningar – förlitar sig på olika nanosensorer som sonderas med ljus vid optiska frekvenser. Men känsligheten och upplösningen av de resulterande optiska signalerna minskar snabbt med ökande djup in i kroppen. Det har begränsat de flesta applikationer till mindre mörka, mer optiskt tillgängliga regioner.

De nya formskiftande sondenheterna, beskrivs online i tidskriften Natur , ** är inte föremål för dessa begränsningar. De gör det möjligt att upptäcka och mäta lokala förhållanden på molekylär skala djupt inne i vävnader, och att observera hur de förändras i realtid.

"Vår design är baserad på helt andra driftsprinciper, " säger NISTs Gary Zabow, som ledde forskningen tillsammans med NIH-kollegorna Stephen Dodd och Alan Koretsky. "Istället för optiskt baserad avkänning, de formförändrande sonderna är designade för att fungera i radiofrekvensspektrum (RF), specifikt för att kunna detekteras med standardutrustning för kärnmagnetisk resonans (NMR) eller magnetisk resonanstomografi (MRI). I dessa RF-områden, signaler är, till exempel, inte nämnvärt försvagad av ingripande biologiska material."

Som ett resultat, de kan bli starka, distinkta signaler från mycket små dimensioner på stora djup eller på andra platser omöjliga att sondera med optiskt baserade sensorer.

De nya enheterna, kallade geometriskt kodade magnetiska sensorer (GEMs), är mikrokonstruerade metall-gel-sandwicher cirka 5 till 10 gånger mindre än en enda röd blodkropp, en av de minsta mänskliga cellerna. Var och en består av två separata magnetiska skivor som sträcker sig från 0,5 till 2 mikrometer (miljondelar av en meter) i diameter och är bara tiotals nanometer (miljarddelar av en meter) tjocka.

Mellan skivorna finns ett distansskikt av hydrogel, ett polymernätverk som kan absorbera vatten och expandera avsevärt; graden av expansion beror på gelens kemiska egenskaper och miljön runt den. Omvänt, den kan också krympa som svar på förändrade lokala förhållanden. Svullnad eller krympning av gelén ändrar avståndet (och därmed, magnetfältstyrkan) mellan de två skivorna, och det, i tur och ordning, ändrar frekvensen med vilken protonerna i vattenmolekyler runt och inuti gelén resonerar som svar på radiofrekvent strålning. Genom att skanna provet med en rad frekvenser identifieras snabbt den aktuella formen på nanosonderna, effektivt mäta de avlägsna förhållandena genom förändringarna i resonansfrekvenser som orsakas av de formförändrande medlen.

I de experiment som redovisas i Natur , forskarna testade sensorerna i lösningar med varierande pH, i lösningar med jonkoncentrationsgradienter, och i ett flytande tillväxtmedium innehållande levande hundnjurceller då deras ämnesomsättning gick från normal till icke-funktionell i frånvaro av syre. Det fenomenet fick odlingsmediet att surna, och förändringen över tiden kändes av av GEM och registrerades genom realtidsförskjutning i resonansfrekvenser. Även för de ooptimerade, första generationens sonder som används, frekvensförskjutningarna till följd av förändringar i pH var lätta att lösa och storleksordningar större än någon motsvarande frekvensförskjutning som observerades genom traditionella metoder för magnetisk resonansspektroskopi.

Att spåra mycket lokaliserade pH-värden i levande organismer kan vara svårt. (Ett blodprov kan inte nödvändigtvis göra det eftersom provet blandar blod från många platser.) Ändå kan lokala pH-förändringar ge ovärderliga tidiga signaler om många patologier. Till exempel, pH runt en cancercell är något lägre än normalt, och inre inflammation leder i allmänhet till lokal förändring av pH-nivån. Att upptäcka sådana förändringar kan avslöja, till exempel, förekomsten av en osynlig tumör eller visa om en infektion har utvecklats runt ett kirurgiskt implantat.

"Självklart, den typen av potentiell användning i levande organismer är fortfarande långt borta, ", sade Zabow. "Våra data togs in vitro. Och vissa potentiella tillämpningar av sensorerna kanske inte är biologiska alls. Men ett långsiktigt mål är att förbättra våra tekniker till den punkt där GEM kan användas för biomedicinskt bruk."

Det skulle kräva, bland annat, ytterligare miniatyrisering. GEM:erna med en diameter på 0,5 till 2 µm i experimenten är redan tillräckligt små för många in vitro och andra möjliga icke-biologiska tillämpningar, såväl som möjligen för vissa in vivo cellulära applikationer. Men preliminära uppskattningar från experimentörerna indikerar att sensorerna kan reduceras avsevärt från deras nuvarande storlek, och kan tänkas göras mindre än 100 nanometer i diameter. Det skulle öppna upp för många ytterligare biomedicinska tillämpningar.

En av de viktigaste egenskaperna hos GEM är att de kan "justeras" i tillverkningen för att svara på olika biokemiska tillstånd och för att resonera i olika delar av RF-spektrumet genom att ändra gelsammansättningen och magnetformerna och materialen, respektive. Så att placera två olika populationer av GEMs på samma plats gör det möjligt att spåra förändringar i två olika variabler samtidigt - en förmåga som forskarna visade genom att placera GEMs med två olika dimensioner på samma plats och detektera signalerna från båda samtidigt.

"Tanken är att man kan designa olika sensorer för att mäta olika saker, effektivt mäta en panel av potentiella biomarkörer samtidigt, snarare än bara en, att bättre skilja mellan olika patologier, " säger Zabow. "Vi tror att dessa sensorer potentiellt kan anpassas för att mäta en mängd olika biomarkörer, eventuellt inklusive saker som glukos, lokala temperaturer, olika jonkoncentrationer, möjligen närvaron eller frånvaron av olika enzymer och så vidare."

Ron Goldfarb, ledare för NIST:s Magnetics Group, konstaterar att, "Arbetet med geometriskt kodade magnetiska sensorer av Gary Zabow och kollegor är en naturlig förlängning av forskning publicerad av teamet, tillsammans med NIST:s John Moreland, 2008. Det arbetet visade hur mikromagneter kan fungera som "smarta taggar" för att potentiellt identifiera specifika celler, vävnader eller fysiologiska tillstånd. Funktionellt sett, GEMS i den nuvarande ansträngningen är mer avancerade genom att de ändrar form som svar på stimuli; Således, de fungerar som mätinstrument. Nästa utmaning blir designoptimering och utveckling av dimensionsstyrda, storskaliga tillverkningsprocesser för att göra dessa sensorer allmänt tillgängliga för forskare."