纳米工程师增强来自荧光传感器的信号

可用于标记和成像各种分子的荧光传感器提供了活细胞内部的独特一瞥。然而，它们通常只能用于在实验室培养皿中生长的细胞或靠近身体表面的组织中，因为当它们植入太深时，它们的信号会丢失。

麻省理工学院的工程师现在想出了一种克服这一限制的方法。使用他们开发的用于激发任何??荧光传感器的新型光子技术，他们能够显着改善荧光信号。通过这种方法，研究人员表明他们可以在组织中植入 5.5 厘米深的传感器，并且仍然可以获得强信号。

研究人员说，这种技术可以使荧光传感器用于跟踪大脑或身体深处其他组织内的特定分子，用于医学诊断或监测药物效果。

“如果你有一个可以探测细胞培养或薄组织层中的生化信息的荧光传感器，这项技术可以让你将所有这些荧光染料和探针转化为厚组织，”麻省理工学院研究科学家 Volodymyr Koman 说。新研究的主要作者之一。

Naveed Bakh SM '15，博士 '20 也是这篇论文的主要作者，该论文今天发表在Nature Nanotechnology上。麻省理工学院 Carbon P. Dubbs 化学工程教授 Michael Strano 是该研究的作者。

科学家使用许多不同种类的荧光传感器，包括量子点、碳纳米管和荧光蛋白，来标记细胞内的分子。这些传感器的荧光可以通过向它们照射激光来观察。然而，这在厚而致密的组织或组织深处不起作用，因为组织本身也会发出一些荧光。这种称为自发荧光的光会淹没来自传感器的信号。

“所有组织都会自发荧光，这成为一个限制因素，”科曼说。“随着来自传感器的信号越来越弱，它会被组织自发荧光所取代。”

为了克服这一限制，麻省理工学院的团队想出了一种方法来调节传感器发出的荧光频率，以便更容易地将其与组织自发荧光区分开来。他们的技术，他们称之为波长诱导频率滤波 (WIFF)，使用三个激光器来产生具有振荡波长的激光束。

当这种振荡光束照射在传感器上时，它会使传感器发出的荧光频率增加一倍。这使得荧光信号可以很容易地从背景自发荧光中挑选出来。使用该系统，研究人员能够将传感器的信噪比提高 50 倍以上。

这种传感的一种可能应用是监测化疗药物的有效性。为了证明这种潜力，研究人员专注于胶质母细胞瘤，一种侵袭性脑癌。患有此类癌症的患者通常会接受手术以尽可能多地切除肿瘤，然后接受化疗药物替莫唑胺 (TMZ) 以试图消除任何剩余的癌细胞。

Strano 说，这种药物可能会产生严重的副作用，而且并非对所有患者都有效，因此有一种方法可以轻松监测它是否有效，这将很有帮助。

“我们正在研究制造可以植入肿瘤本身附近的小型传感器的技术，它可以指示有多少药物到达肿瘤以及它是否正在被代谢。你可以在肿瘤附近放置一个传感器并从在体外，药物在实际肿瘤环境中的功效，”他说。

当替莫唑胺进入体内时，它会分解成更小的化合物，包括一种称为 AIC 的化合物。麻省理工学院的团队设计了一种可以检测 AIC 的传感器，并表明他们可以将其植入动物大脑 5.5 厘米深处。他们甚至能够通过动物的头骨读取来自传感器的信号。

这种传感器还可以设计用于检测肿瘤细胞死亡的分子特征，例如反应氧。

除了检测 TMZ 活性外，研究人员还证明，他们可以使用 WIFF 来增强来自各种其他传感器的信号，包括Strano 实验室之前开发的用于检测过氧化氢、核黄素和抗坏血酸的基于碳纳米管的传感器。

“该技术适用于任何波长，可用于任何荧光传感器，”Strano 说。“因为你现在有更多的信号，你可以在组织深处植入一个传感器，这在以前是不可能的。”

在这项研究中，研究人员同时使用了三个激光器来产生振荡激光束，但在未来的工作中，他们希望使用可调谐激光器来产生信号并进一步改进技术。研究人员说，随着可调谐激光器价格的下降和速度的加快，这应该会变得更加可行。

为了帮助使荧光传感器更容易在人类患者中使用，研究人员正在研究生物可吸收的传感器，因此它们不需要通过手术切除。