據(jù)研究人員稱，這種類型的技術(shù)可能允許熒光傳感器被用來追蹤大腦或身體深處其他組織內(nèi)的特定分子，用于醫(yī)療診斷或監(jiān)測藥物效果。

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“如果你有一個可以在細(xì)胞培養(yǎng)中探測生化信息的熒光傳感器，或者在薄的組織層中，這項(xiàng)技術(shù)可以讓你把所有這些熒光染料和探針轉(zhuǎn)化為厚的組織，”MIT研究科學(xué)家和這項(xiàng)新研究的主要作者之一Volodymyr Koman說。

Naveed Bakh也是該論文的主要作者，該論文于2022年5月30日發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》上。麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系Carbon P. Dubbs教授Michael Strano是該研究的資深作者。

增強(qiáng)的熒光

科學(xué)家們使用許多不同種類的熒光傳感器，包括量子點(diǎn)、碳納米管和熒光蛋白，來標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的分子。這些傳感器的熒光可以通過激光照射它們而被看到。然而，這在厚實(shí)、密集的組織中，或在組織深處不起作用，因?yàn)榻M織本身也會發(fā)出一些螢光。這種光被稱為自發(fā)熒光，會淹沒來自傳感器的信號。

“所有的組織都有自發(fā)熒光，這成為一個限制性因素，”Koman說。“隨著來自傳感器的信號變得越來越弱，它就會被組織的自發(fā)熒光所取代。”

為了克服這一限制，MIT的團(tuán)隊(duì)想出了一種方法來調(diào)節(jié)傳感器發(fā)出的熒光的頻率，以便它能更容易地與組織的自發(fā)熒光相區(qū)別。他們的技術(shù)，他們稱之為波長誘導(dǎo)的頻率過濾（WIFF），使用三個激光器來創(chuàng)造一個具有振蕩波長的激光束。

當(dāng)這種振蕩光束照射在傳感器上時(shí)，它使傳感器發(fā)出的熒光的頻率增加一倍。這使得熒光信號可以很容易地從背景自發(fā)熒光中挑出來。利用這個系統(tǒng)，研究人員能夠?qū)鞲衅鞯男旁氡忍岣?0倍以上。

這種傳感的一個可能應(yīng)用是監(jiān)測化療藥物的效果。為了證明這種潛力，研究人員把重點(diǎn)放在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤上，這是一種侵略性的腦癌。患有這種類型的癌癥的病人通常接受手術(shù)，盡可能多地切除腫瘤，然后接受化療藥物替莫唑胺（TMZ），試圖消除任何剩余的癌細(xì)胞。

Strano說，這種藥物可能有嚴(yán)重的副作用，而且它并不對所有患者都有效，因此，如果有一種方法可以輕松監(jiān)測它是否有效，那將是很有幫助的。

“我們正在研究制造小型傳感器的技術(shù)，這些傳感器可以植入腫瘤本身附近，這可以顯示有多少藥物到達(dá)腫瘤，以及是否被代謝掉了。”他說：“你可以在腫瘤附近放置一個傳感器，從體外驗(yàn)證藥物在實(shí)際腫瘤環(huán)境中的療效。”

當(dāng)替莫唑胺進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，它會被分解成更小的化合物，包括一種被稱為AIC的化合物。MIT的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個可以檢測AIC的傳感器，并表明他們可以將其植入動物大腦5.5厘米的深處。他們甚至能夠通過動物的頭骨來讀取傳感器的信號。這樣的傳感器也可以被設(shè)計(jì)用來檢測腫瘤細(xì)胞死亡的分子特征，如反應(yīng)氧物種。

“任何波長”

除了檢測TMZ的活性之外，研究人員還證明他們可以使用WIFF來增強(qiáng)其他各種傳感器的信號，包括Strano的實(shí)驗(yàn)室以前開發(fā)的用于檢測過氧化氫、核黃素和抗壞血酸的碳納米管傳感器。

Strano說：“這項(xiàng)技術(shù)在任何波長下都能工作，而且它可以用于任何熒光傳感器。因?yàn)槟悻F(xiàn)在有如此多的信號，你可以將傳感器植入組織的深度，這在以前是不可能的。”

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了三臺激光器來創(chuàng)造振蕩的激光束，但在未來的工作中，他們希望使用可調(diào)諧的激光器來創(chuàng)造信號，并進(jìn)一步改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。研究人員說，隨著可調(diào)諧激光器的價(jià)格下降和它們的速度變快，這應(yīng)該變得更加可行。

為了幫助使熒光傳感器更容易在人類患者身上使用，研究人員正在研究生物可吸收的傳感器，因此它們將不需要通過手術(shù)切除。