可用于標(biāo)記和成像各種分子的熒光傳感器提供了活細(xì)胞內(nèi)部的獨(dú)特一瞥。然而，它們通常只能用于在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中生長的細(xì)胞或靠近身體表面的組織中，因?yàn)楫?dāng)它們植入太深時(shí)，它們的信號(hào)會(huì)丟失。

麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在想出了一種克服這一限制的方法。使用他們開發(fā)的用于激發(fā)任何熒光傳感器的新型光子技術(shù)，他們能夠顯著改善熒光信號(hào)。通過這種方法，研究人員表明他們可以在組織中植入 5.5 厘米深的傳感器，并且仍然可以獲得強(qiáng)信號(hào)。

研究人員說，這種技術(shù)可以使熒光傳感器用于跟蹤大腦或身體深處其他組織內(nèi)的特定分子，用于醫(yī)學(xué)診斷或監(jiān)測藥物效果。

“如果你有一個(gè)可以探測細(xì)胞培養(yǎng)或薄組織層中的生化信息的熒光傳感器，那么這項(xiàng)技術(shù)可以讓你將所有這些熒光染料和探針轉(zhuǎn)化為厚組織，”麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家 Volodymyr Koman 說。新研究的主要作者之一。

Naveed Bakh SM '15、PhD '20 也是該論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在Nature Nanotechnology上。麻省理工學(xué)院 Carbon P. Dubbs 化學(xué)工程教授 Michael Strano 是該研究的作者。

增強(qiáng)熒光

科學(xué)家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向它們照射激光來觀察。然而，這在厚而致密的組織或組織深處不起作用，因?yàn)榻M織本身也會(huì)發(fā)出一些熒光。這種稱為自發(fā)熒光的光會(huì)淹沒來自傳感器的信號(hào)。

“所有組織都會(huì)自發(fā)熒光，這成為一個(gè)限制因素，”科曼說。“隨著來自傳感器的信號(hào)越來越弱，它會(huì)被組織自發(fā)熒光所取代?！?/span>

為了克服這一限制，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)想出了一種方法來調(diào)節(jié)傳感器發(fā)出的熒光頻率，以便更容易地將其與組織自發(fā)熒光區(qū)分開來。他們的技術(shù)，他們稱之為波長誘導(dǎo)頻率濾波 (WIFF)，使用三個(gè)激光器來產(chǎn)生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)，它會(huì)使傳感器發(fā)出的熒光頻率增加一倍。這使得熒光信號(hào)可以很容易地從背景自發(fā)熒光中挑選出來。使用該系統(tǒng)，研究人員能夠?qū)鞲衅鞯男旁氡忍岣?50 倍以上。

這種傳感的一種可能應(yīng)用是監(jiān)測化療藥物的有效性。為了證明這種潛力，研究人員專注于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，一種侵襲性腦癌。患有此類癌癥的患者通常會(huì)接受手術(shù)以盡可能多地切除腫瘤，然后接受化療藥物替莫唑胺 (TMZ) 以試圖消除任何剩余的癌細(xì)胞。

Strano 說，這種藥物可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用，而且并非對所有患者都有效，因此有一種方法可以輕松監(jiān)測它是否有效，這將很有幫助。

“我們正在研究制造小型傳感器的技術(shù)，該傳感器可以植入腫瘤本身附近，這可以指示有多少藥物到達(dá)腫瘤以及它是否正在被代謝。你可以在腫瘤附近放置一個(gè)傳感器，并從體外驗(yàn)證藥物在實(shí)際腫瘤環(huán)境中的功效，”他說。

當(dāng)替莫唑胺進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，它會(huì)分解成更小的化合物，包括一種稱為 AIC 的化合物。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可以檢測 AIC 的傳感器，并表明他們可以將其植入動(dòng)物大腦 5.5 厘米深處。他們甚至能夠通過動(dòng)物的頭骨讀取來自傳感器的信號(hào)。

這種傳感器還可以設(shè)計(jì)用于檢測腫瘤細(xì)胞死亡的分子特征，例如反應(yīng)氧。

“任何波長”

除了檢測 TMZ 活性外，研究人員還證明，他們可以使用 WIFF 來增強(qiáng)來自各種其他傳感器的信號(hào)，包括 Strano 實(shí)驗(yàn)室之前開發(fā)的用于檢測過氧化氫、核黃素和抗壞血酸的基于碳納米管的傳感器。

“該技術(shù)適用于任何波長，可用于任何熒光傳感器，”Strano 說。“因?yàn)槟悻F(xiàn)在有更多的信號(hào)，你可以在組織深處植入一個(gè)傳感器，這在以前是不可能的?！?/span>

在這項(xiàng)研究中，研究人員同時(shí)使用了三個(gè)激光器來產(chǎn)生振蕩激光束，但在未來的工作中，他們希望使用可調(diào)諧激光器來產(chǎn)生信號(hào)并進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)。研究人員說，隨著可調(diào)諧激光器價(jià)格的下降和速度的加快，這應(yīng)該會(huì)變得更加可行。

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

該研究由科赫綜合癌癥研究所和 Dana-Farber/Harvard 癌癥中心橋梁項(xiàng)目資助。瑞士科學(xué)基金會(huì)、日本科學(xué)促進(jìn)會(huì)、阿卜杜拉國王科技大學(xué)、Zuckerman STEM 領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)劃、以色列科學(xué)基金會(huì)以及阿諾德和梅布爾貝克曼基金會(huì)提供了額外的資金。