Как флуоресцентные сигналы могут позволить более глубокие имплантаты датчиков в мозг

3 июня 2022 г. Автор: Даниэль Кирш

[Изображение предоставлено Массачусетским технологическим институтом]

Флуоресцентные датчики обычно используются для маркировки и изображения различных молекул, чтобы дать уникальную возможность заглянуть внутрь живых клеток. Однако метод ограничен клетками, выращенными в лабораторной чашке или в тканях, расположенных ближе к поверхности тела, поскольку сигнал от датчиков теряется при слишком глубокой имплантации в тело.

Согласно пресс-релизу, команда инженеров Массачусетского технологического института разработала фотонную технику, которая «значительно улучшила» флуоресцентный сигнал. Исследователи показали, что датчики можно имплантировать в ткань на глубину до 5,5 см и при этом обеспечивать сильный сигнал. Улучшенная передача сигналов может помочь флуоресцентным датчикам отслеживать определенные молекулы внутри мозга или других тканей глубоко внутри тела для медицинской диагностики или мониторинга воздействия лекарств.

«Если у вас есть флуоресцентный датчик, который может исследовать биохимическую информацию в культуре клеток или в тонких слоях тканей, эта технология позволит вам перенести все эти флуоресцентные красители и зонды в толстые ткани», — сказал ведущий автор исследования Владимир Коман.

Традиционно ученые используют различные виды флуоресцентных датчиков, в том числе квантовые точки, углеродные нанотрубки и флуоресцентные белки, чтобы маркировать молекулы внутри клеток. Флуоресценцию датчиков можно увидеть, направив на них лазерный луч. Однако этот метод не работает в толстых, плотных тканях или глубоко внутри тканей, поскольку ткань излучает флуоресцентный свет, называемый автофлуоресценцией, что делает сигналы имплантата слабыми.

«Все ткани автофлуоресцируют, и это становится ограничивающим фактором», — сказал Коман. «Поскольку сигнал от датчика становится все слабее и слабее, его заменяет автофлуоресценция ткани».

Исследователи из Массачусетского технологического института модулировали частоту флуоресцентного света, излучаемого датчиком, чтобы его было легче отличить от автофлуоресценции ткани. Этот метод, называемый частотной фильтрацией, индуцированной длиной волны (WIFF), использует три лазера для создания лазерного луча с колеблющейся длиной волны.

По словам исследователей, колеблющиеся лучи освещают датчики и заставляют излучаемую датчиком флуоресценцию удваивать свою частоту. Тогда сигнал можно легко выделить по автофлуоресценции фона. Исследователи сообщили, что они увеличили соотношение сигнал/шум датчика более чем в 50 раз.

Исследователи предполагают, что этот метод можно использовать для мониторинга эффективности химиотерапевтических препаратов. Чтобы продемонстрировать удобство использования, команда сосредоточилась на глиобластоме. Пациенты с этой агрессивной формой рака головного мозга обычно подвергаются хирургическому вмешательству, чтобы удалить как можно большую часть опухоли, а затем получают химиотерапию для уничтожения оставшихся раковых клеток.

«Мы работаем над технологией создания небольших датчиков, которые можно было бы имплантировать рядом с самой опухолью и которые могли бы указывать на то, сколько лекарства поступает в опухоль и метаболизируется ли оно. Вы можете разместить датчик рядом с опухолью и проверить, находясь вне тела, эффективность препарата в реальной среде опухоли», — сказал Майкл Страно, старший автор исследования и профессор химической инженерии Карбона П. Даббса в Массачусетском технологическом институте.

Когда лекарство от рака темозоломид попадает в организм, оно распадается на более мелкие соединения, и команда Массачусетского технологического института разработала датчик для обнаружения соединения, известного как AIC. Они обнаружили, что имплантат можно поместить в мозг животного на глубину до 5,5 см и считывать сигнал от датчика даже через череп животного.

Исследователи предполагают, что датчики также можно использовать для обнаружения молекулярных признаков смерти опухолевых клеток. Метод WIFF можно использовать для усиления сигнала от других типов датчиков, включая датчики на основе углеродных нанотрубок, которые обнаруживают перекись водорода, рибофлавин и аскорбиновую кислоту.

«Эта методика работает на любой длине волны и может быть использована для любого флуоресцентного датчика», — сказал Страно. «Поскольку теперь у вас гораздо больше сигнала, вы можете имплантировать датчик на такую ​​глубину в ткань, что раньше было невозможно».