BLOGG

Ny fotonisk teknologi kan tillåta fluorescerande sensorer att spåra molekyler i kroppens djup

Fluorescerande sensorer, som kan användas för att märka och beskriva olika molekyler, ger en unik bild inuti levande celler. De kan dock vanligtvis endast användas i celler som odlas i ett laboratoriekärl eller i vävnader nära kroppens yta, eftersom deras signal går förlorad när de implanteras för djupt.

MIT-ingenjörer har nu hittat ett sätt att övervinna denna begränsning. Genom att använda en ny fotonisk teknik som de utvecklade för att excitera vilken fluorescerande sensor som helst, kunde de förbättra den fluorescerande signalen dramatiskt. Med detta tillvägagångssätt visade forskarna att de kunde placera sensorer upp till 5,5 centimeter djupa i vävnaden och ändå ta emot en stark signal.

Forskare säger att sådan teknik kan göra det möjligt för fluorescerande sensorer att användas för att spåra specifika molekyler inuti hjärnan eller andra vävnader djupt i kroppen, för att övervaka medicinska diagnoser eller läkemedelseffekter.

Om du har en fluorescerande sensor som kan kontrollera biokemisk information i cellkultur eller tunna vävnadslager, låter denna teknik dig förvandla alla fluorescerande färgämnen och sonder till tjock vävnad. “

Volodymyr Koman, MIT-forskare och en av de ledande författarna till den nya studien

Naveed Bakh SM ’15, PhD ’20 är också huvudförfattaren till dagens artikel. Naturens nanoteknik. Michael Strano, professor i Carbon P. Dubbs vid MIT:s kemiteknik, är huvudförfattaren till studien.

Förbättrad fluorescens

Forskare använder många olika typer av fluorescerande sensorer, inklusive kvantprickar, kolnanorör och fluorescerande proteiner, för att märka molekyler inuti celler. Fluorescensen hos dessa sensorer kan ses genom att injicera laserljus i dem. Detta fungerar dock inte i tjock, tät vävnad eller i vävnadens djup, eftersom vävnaden i sig också avger en del fluorescerande ljus. Detta ljus, som kallas autofluorescens, dämpar signalen från sensorn.

“Alla vävnader utsätts för autofluorescens, vilket är en begränsande faktor”, säger Koman. När signalen från sensorn gradvis försvagas, åsidosätter den vävnadsautofluorescens.

För att övervinna denna begränsning hittade MIT-teamet ett sätt att modulera frekvensen av fluorescerande ljus som emitteras av sensorn så att det lättare kunde skiljas från vävnadsautofluorescens. Deras teknik, kallad våglängdsfrekvensfiltrering (WIFF), använder tre lasrar för att skapa en laserstråle med en oscillerande våglängd.

När denna emitterade stråle är upplyst i sensorn gör det att fluorescensfrekvensen som sänds ut av sensorn fördubblas. Detta gör att du enkelt kan välja den fluorescerande signalen från bakgrundens autofluorescens. Med detta system kunde forskarna öka sensorernas signal-brusförhållande med mer än 50 gånger.

En möjlig tillämpning för sådana känslor är att övervaka effektiviteten av kemoterapiläkemedel. För att visa denna potential har forskare fokuserat på glioblastom, en aggressiv typ av hjärncancer. Patienter med denna typ av cancer opereras vanligtvis för att ta bort så mycket av tumören som möjligt och får sedan ett cellgiftsläkemedel, temozolomid (TMZ), för att försöka ta bort de kvarvarande cancercellerna.

Strano säger att läkemedlet kan ha allvarliga biverkningar, och det fungerar inte för alla patienter, så det skulle vara bra att ha ett enkelt sätt att se om det fungerar.

”Vi arbetar med teknik för att utveckla små sensorer som kan implanteras nära tumören, som kan visa hur mycket medicin som har kommit in i tumören och om den har metaboliserats. Du kan testa det genom att placera en sensor nära tumören. .

När temozolomid kommer in i kroppen bryts det ner till mindre föreningar, inklusive föreningar som kallas AIC. MIT-teamet utvecklade en sensor som kunde detektera AIC och visade att de kunde placera den i djurets hjärna på ett djup av 5,5 centimeter. De kunde till och med läsa signalen från sensorn från djurets skalle.

Sådana sensorer kan också utvecklas för att detektera molekylära signaturer av tumörcellsdöd, såsom syrereaktionstyper.

“Alla våglängder”

Förutom att detektera TMZ-aktivitet, visade forskarna att de kunde använda WIFF för att förstärka en signal från en mängd andra sensorer, inklusive kol-nanorör-baserade sensorer som tidigare utvecklats av Strano Laboratory för att detektera väteperoxid, riboflavin och askorbinsyra.

“Tekniken fungerar på alla våglängder och kan användas för alla lysrörssensorer”, säger Strano. “Nu när du har mer signal kan du placera en sensor i vävnaden på djup som tidigare var omöjliga.”

För denna studie använde forskarna tre lasrar tillsammans för att skapa en suspenderad laserstråle, men i framtida arbete hoppas de kunna använda en justerbar laser för att generera signalen och förbättra tekniken ytterligare. Enligt forskare borde detta vara möjligt då priset på justerbara lasrar minskar och desto snabbare.

För att underlätta användningen av fluorescerande sensorer hos mänskliga patienter arbetar forskare med sensorer med biologisk resorption, så det kommer inte att behövas kirurgiskt avlägsnande av dem.

Studien finansierades av Koch Institute for Integrative Cancer Research och Dana-Farber/Harvard Cancer Center Bridge Project. Ytterligare finansiering tillhandahölls av Swiss National Science Foundation, Japan Science Promotion Society, King Abdullah University of Science and Technology, Zuckerman STEM Leadership Program, Israel Science Foundation och Arnold och Mabel Beckman Foundation.

Källa:

Massachusetts Institute of Technology

Tidningsreferens:

Koman, VB, och b. (2022) In vivo våglängdsinducerad frekvensfiltreringsmetod för fluorescerande nanosensorer. Naturens nanoteknik. doi.org/10.1038/s41565-022-01136-x.

Botón volver arriba

Ad blocker detected

You must remove the AD BLOCKER to continue using our website THANK YOU