Инженеры усиливают сигналы флуоресцентных нано-датчиков
Флуоресцентные датчики, которые можно использовать для маркировки и изображения самых разных молекул, позволяют заглянуть внутрь живых клеток. Однако обычно их можно использовать только в клетках, выращенных в лабораторных чашках, или в тканях, близких к поверхности тела, потому что их сигнал теряется при слишком глубокой имплантации. Инженеры Массачусетского технологического института придумали способ обойти это ограничение.
Используя новый фотонный метод, который они разработали для возбуждения любого флуоресцентного датчика, они смогли значительно улучшить флуоресцентный сигнал. Исследователи показали, что при таком подходе они могут имплантировать датчики на глубину до 5,5 сантиметров в ткань и при этом получать сильный сигнал.
Исследователи говорят, что такая технология может позволить использовать флуоресцентные датчики для отслеживания определенных молекул внутри мозга или других тканей глубоко внутри тела, для медицинской диагностики или мониторинга эффектов лекарств.
«Если у вас есть флуоресцентный датчик, который может исследовать биохимическую информацию в клеточной культуре или в тонких слоях ткани, эта технология позволяет вам переводить все эти флуоресцентные красители и зонды в толстую ткань», — говорит Владимир Коман, научный сотрудник Массачусетского технологического института и один из ведущих авторов нового исследования.
Навид Бах С.М. '15, доктор философии. '20 также является ведущим автором статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology. Майкл Страно, профессор химической технологии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте, является старшим автором исследования.
Улучшенная флуоресценция
Ученые используют множество различных видов флуоресцентных датчиков, включая квантовые точки , углеродные нанотрубки и флуоресцентные белки, для маркировки молекул внутри клеток. Флуоресценцию этих датчиков можно увидеть, направив на них лазерный свет. Однако это не работает в толстой, плотной ткани или глубоко внутри ткани, потому что сама ткань также излучает флуоресцентный свет. Этот свет, называемый автофлуоресценцией, заглушает сигнал, исходящий от сенсора.
«Все ткани автофлуоресцируют, и это становится ограничивающим фактором», — говорит Коман. «По мере того, как сигнал от сенсора становится все слабее и слабее, он уступает место аутофлуоресценции тканей».
Чтобы преодолеть это ограничение, команда Массачусетского технологического института придумала способ модулировать частоту флуоресцентного света, излучаемого датчиком, чтобы его было легче отличить от автофлуоресценции ткани. Их метод, который они называют частотной фильтрацией, индуцированной длиной волны (WIFF), использует три лазера для создания лазерного луча с колеблющейся длиной волны.
Когда этот колеблющийся луч попадает на датчик, он вызывает удвоение частоты флуоресценции, излучаемой датчиком. Это позволяет легко выделить флуоресцентный сигнал из фоновой автофлуоресценции. Используя эту систему, исследователи смогли увеличить отношение сигнал /шум датчиков более чем в 50 раз.
Одним из возможных применений такого рода датчиков является мониторинг эффективности химиотерапевтических препаратов. Чтобы продемонстрировать этот потенциал, исследователи сосредоточились на глиобластоме, агрессивном типе рака мозга. Пациенты с этим типом рака обычно подвергаются хирургическому вмешательству, чтобы удалить как можно большую часть опухоли, а затем получают химиотерапевтический препарат темозоломид (ТМЗ), чтобы попытаться уничтожить любые оставшиеся раковые клетки.
У этого препарата могут быть серьезные побочные эффекты, и он работает не у всех пациентов, поэтому было бы полезно иметь способ легко контролировать, работает он или нет, говорит Страно.
«Мы работаем над технологией создания небольших датчиков, которые можно было бы имплантировать рядом с самой опухолью, и которые могли бы дать представление о том, сколько лекарства поступает в опухоль и метаболизируется ли оно. Вы можете поместить датчик рядом с опухолью и проверить, вне тела эффективность препарата в реальной среде опухоли», — говорит он.
Когда темозоломид попадает в организм, он расщепляется на более мелкие соединения, включая одно, известное как AIC. Команда Массачусетского технологического института разработала датчик, который может обнаруживать AIC, и показала, что они могут имплантировать его на глубину до 5,5 сантиметров в мозг животного. Им удалось прочитать сигнал датчика даже через череп животного.
Такие датчики также могут быть разработаны для обнаружения молекулярных признаков гибели опухолевых клеток, таких как реакционные формы кислорода.
«Любая длина волны»
В дополнение к обнаружению активности TMZ исследователи продемонстрировали, что они могут использовать WIFF для усиления сигнала от множества других датчиков, включая датчики на основе углеродных нанотрубок , которые лаборатория Страно ранее разработала для обнаружения перекиси водорода , рибофлавина и аскорбиновой кислоты.
«Этот метод работает на любой длине волны, и его можно использовать для любого флуоресцентного датчика», — говорит Страно. «Поскольку теперь у вас гораздо больше сигнала, вы можете имплантировать датчик на глубину ткани, что раньше было невозможно».
Для этого исследования исследователи использовали три лазера вместе для создания колеблющегося лазерного луча , но в будущей работе они надеются использовать перестраиваемый лазер для создания сигнала и дальнейшего улучшения техники. Исследователи говорят, что это должно стать более осуществимым, поскольку цена на перестраиваемые лазеры снижается, а они становятся быстрее.
Чтобы облегчить использование флуоресцентных датчиков у пациентов , исследователи работают над датчиками, которые биологически рассасываются, поэтому их не нужно удалять хирургическим путем.
