Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Fluorescerande sensorer, som kan användas för att märka och avbilda en mängd olika molekyler, ger en unik inblick i levande celler. Men de kan vanligtvis bara användas i celler som odlas i en labbskål eller i vävnader nära kroppens yta, eftersom deras signal går förlorad när de implanteras för djupt.
MIT-ingenjörer har nu kommit på ett sätt att övervinna den begränsningen. Genom att använda en ny fotonisk teknik som de utvecklade för att excitera vilken fluorescerande sensor som helst, kunde de dramatiskt förbättra den fluorescerande signalen. Med detta tillvägagångssätt visade forskarna att de kunde implantera sensorer så djupa som 5,5 centimeter i vävnaden och ändå få en stark signal.
Den här typen av teknik kan göra det möjligt att använda fluorescerande sensorer för att spåra specifika molekyler inuti hjärnan eller andra vävnader djupt inne i kroppen, för medicinsk diagnos eller övervakning av läkemedelseffekter, säger forskarna.
"Om du har en fluorescerande sensor som kan undersöka biokemisk information i cellkultur eller i tunna vävnadslager, låter den här tekniken dig översätta alla dessa fluorescerande färgämnen och sonder till tjock vävnad", säger Volodymyr Koman, en forskare vid MIT och en av huvudförfattarna till den nya studien.
Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 är också huvudförfattare till tidningen, som idag visas i Nature Nanotechnology . Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT, är senior författare till studien.
Förbättrad fluorescens
Forskare använder många olika typer av fluorescerande sensorer, inklusive kvantprickar, kolnanorör och fluorescerande proteiner, för att märka molekyler inuti celler. Dessa sensorers fluorescens kan ses genom att lysa laserljus på dem. Detta fungerar dock inte i tjock, tät vävnad eller djupt inne i vävnaden, eftersom vävnaden i sig också avger en del fluorescerande ljus. Detta ljus, som kallas autofluorescens, dränker signalen som kommer från sensorn.
"Alla vävnader autofluorescerar, och detta blir en begränsande faktor", säger Koman. "När signalen från sensorn blir svagare och svagare, blir den omkörd av vävnadens autofluorescens."
För att övervinna denna begränsning kom MIT-teamet på ett sätt att modulera frekvensen av det fluorescerande ljuset som emitteras av sensorn så att det lättare kan skiljas från vävnadens autofluorescens. Deras teknik, som de kallar våglängdsinducerad frekvensfiltrering (WIFF), använder tre lasrar för att skapa en laserstråle med en oscillerande våglängd.
När denna oscillerande stråle lyser på sensorn, gör det att fluorescensen som sänds ut av sensorn fördubblar sin frekvens. Detta gör att den fluorescerande signalen lätt kan plockas ut från bakgrundens autofluorescens. Med detta system kunde forskarna förbättra sensorernas signal-brusförhållande mer än 50-faldigt.
En möjlig tillämpning för denna typ av avkänning är att övervaka effektiviteten av kemoterapiläkemedel. För att visa denna potential fokuserade forskarna på glioblastom, en aggressiv typ av hjärncancer. Patienter med denna typ av cancer genomgår vanligtvis en operation för att ta bort så mycket av tumören som möjligt och får sedan kemoterapiläkemedlet temozolomide (TMZ) för att försöka eliminera eventuella kvarvarande cancerceller.
Detta läkemedel kan ha allvarliga biverkningar, och det fungerar inte för alla patienter, så det skulle vara bra att ha ett sätt att enkelt övervaka om det fungerar eller inte, säger Strano.
"Vi arbetar med teknik för att göra små sensorer som skulle kunna implanteras nära själva tumören, vilket kan ge en indikation på hur mycket läkemedel som kommer till tumören och om den metaboliseras. Man kan placera en sensor nära tumören och verifiera från utanför kroppen läkemedlets effektivitet i den faktiska tumörmiljön", säger han.
När temozolomid kommer in i kroppen bryts det ner till mindre föreningar, inklusive en känd som AIC. MIT-teamet designade en sensor som kunde detektera AIC och visade att de kunde implantera den så djupt som 5,5 centimeter i en djurhjärna. De kunde läsa signalen från sensorn även genom djurets skalle.
Sådana sensorer kan också utformas för att detektera molekylära signaturer av tumörcellsdöd, såsom reaktionssyrearter.
"Alla våglängder"
Förutom att detektera TMZ-aktivitet, visade forskarna att de kunde använda WIFF för att förbättra signalen från en mängd andra sensorer, inklusive kol-nanorör-baserade sensorer som Stranos labb tidigare har utvecklat för att detektera väteperoxid, riboflavin och askorbinsyra.
"Tekniken fungerar på alla våglängder, och den kan användas för alla lysrörssensorer," säger Strano. "Eftersom du har så mycket mer signal nu kan du implantera en sensor på djup i vävnad som inte var möjligt tidigare."
För denna studie använde forskarna tre lasrar tillsammans för att skapa den oscillerande laserstrålen, men i framtida arbete hoppas de kunna använda en avstämbar laser för att skapa signalen och förbättra tekniken ytterligare. Detta borde bli mer genomförbart eftersom priset på avstämbara lasrar minskar och de blir snabbare, säger forskarna.
För att göra fluorescerande sensorer lättare att använda hos mänskliga patienter arbetar forskarna med sensorer som är biologiskt resorberbara, så att de inte skulle behöva avlägsnas kirurgiskt. + Utforska vidare
