熒光傳感器可用於標記和成像各種各樣的分子，提供了對活細胞內部的獨特窺視。然而，它們通常只能用於實驗室培養的細胞或靠近身體表面的組織，因為當它們被植入太深時，它們的信號會丟失。麻省理工學院（MIT）的工程師們現在已經設計出一個解決方案來克服這一限制。通過使用他們發明的一種新的光子技術來激發任何熒光傳感器，他們能夠顯著提高熒光信號。通過這種方法，科學家們表明他們可以將傳感器植入5.5厘米深的組織中，並且仍然可以獲得強烈的信號。
據研究人員稱，這種類型的技術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的特定分子，用於醫療診斷或監測藥物效果。
“如果你有一個可以在細胞培養中探測生化信息的熒光傳感器，或者在薄的組織層中，這項技術可以讓你把所有這些熒光染料和探針轉化為厚的組織，”MIT研究科學家和這項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，該論文於2022年5月30日發表在《自然-納米技術》上。麻省理工學院化學工程系Carbon P. Dubbs教授Michael Strano是該研究的資深作者。
增強的熒光
科學家們使用許多不同種類的熒光傳感器，包括量子點、碳納米管和熒光蛋白，來標記細胞內的分子。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、密集的組織中，或在組織深處不起作用，因為組織本身也會發出一些螢光。這種光被稱為自發熒光，會淹沒來自傳感器的信號。
“所有的組織都有自發熒光，這成為一個限制性因素，”Koman說。“隨着來自傳感器的信號變得越來越弱，它就會被組織的自發熒光所取代。”
為了克服這一限制，MIT的團隊想出了一種方法來調節傳感器發出的熒光的頻率，以便它能更容易地與組織的自發熒光相區別。他們的技術，他們稱之為波長誘導的頻率過濾（WIFF），使用三個激光器來創造一個具有振蕩波長的激光束。
當這種振蕩光束照射在傳感器上時，它使傳感器發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熒光中挑出來。利用這個系統，研究人員能夠將傳感器的信噪比提高50倍以上。
這種傳感的一個可能應用是監測化療藥物的效果。為了證明這種潛力，研究人員把重點放在膠質母細胞瘤上，這是一種侵略性的腦癌。患有這種類型的癌症的病人通常接受手術，儘可能多地切除腫瘤，然後接受化療藥物替莫唑胺（TMZ），試圖消除任何剩餘的癌細胞。
Strano說，這種藥物可能有嚴重的副作用，而且它並不對所有患者都有效，因此，如果有一種方法可以輕鬆監測它是否有效，那將是很有幫助的。
“我們正在研究製造小型傳感器的技術，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，從體外驗證藥物在實際腫瘤環境中的療效。”
當替莫唑胺進入體內時，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的團隊設計了一個可以檢測AIC的傳感器，並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計用來檢測腫瘤細胞死亡的分子特徵，如反應氧物種。
“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來增強其他各種傳感器的信號，包括Strano的實驗室以前開發的用於檢測過氧化氫、核黃素和抗壞血酸的碳納米管傳感器。
Strano說：“這項技術在任何波長下都能工作，而且它可以用於任何熒光傳感器。因為你現在有如此多的信號，你可以將傳感器植入組織的深度，這在以前是不可能的。”
在這項研究中，研究人員使用了三台激光器來創造振蕩的激光束，但在未來的工作中，他們希望使用可調諧的激光器來創造信號，並進一步改進這項技術。研究人員說，隨着可調諧激光器的價格下降和它們的速度變快，這應該變得更加可行。
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切除。