Nano-ingenieurs versterken signalen van fluorescerende sensoren

Fluorescerende sensoren, die kunnen worden gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan moleculen te labelen en af ​​te beelden, bieden een uniek kijkje in levende cellen. Ze kunnen echter meestal alleen worden gebruikt in cellen die zijn gekweekt in een laboratoriumschaal of in weefsels dicht bij het oppervlak van het lichaam, omdat hun signaal verloren gaat wanneer ze te diep worden geïmplanteerd.

MIT-ingenieurs hebben nu een manier bedacht om die beperking te overwinnen. Met behulp van een nieuwe fotonische techniek die ze ontwikkelden om elke fluorescerende sensor te prikkelen, waren ze in staat om het fluorescerende signaal drastisch te verbeteren. Met deze aanpak toonden de onderzoekers aan dat ze sensoren tot 5,5 centimeter diep in weefsel konden implanteren en toch een sterk signaal konden krijgen.

Met dit soort technologie kunnen fluorescerende sensoren worden gebruikt om specifieke moleculen in de hersenen of andere weefsels diep in het lichaam te volgen, voor medische diagnose of het bewaken van de effecten van medicijnen, zeggen de onderzoekers.

“Als je een fluorescerende sensor hebt die biochemische informatie in celcultuur of in dunne weefsellagen kan onderzoeken, kun je met deze technologie al die fluorescerende kleurstoffen en sondes in dik weefsel vertalen”, zegt Volodymyr Koman, een MIT-onderzoeker en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie.

Naveed Bakh SM ’15, Ph.D. ’20 is ook een hoofdauteur van de paper, die vandaag verschijnt in Natuur Nanotechnologie. Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT, is de senior auteur van de studie.

Verbeterde fluorescentie

Wetenschappers gebruiken veel verschillende soorten fluorescerende sensoren, waaronder kwantumstippen, koolstofnanobuizen en fluorescerende eiwitten, om moleculen in cellen te labelen. De fluorescentie van deze sensoren is te zien door er laserlicht op te schijnen. Dit werkt echter niet in dik, dicht weefsel of diep in het weefsel, omdat weefsel zelf ook wat fluorescerend licht uitstraalt. Dit licht, autofluorescentie genaamd, overstemt het signaal dat van de sensor komt.

“Alle weefsels fluoresceren automatisch, en dit wordt een beperkende factor”, zegt Koman. “Naarmate het signaal van de sensor zwakker en zwakker wordt, wordt het ingehaald door de autofluorescentie van het weefsel.”

Om deze beperking te overwinnen, bedacht het MIT-team een ​​manier om de frequentie van het fluorescerende licht dat door de sensor wordt uitgezonden te moduleren, zodat het gemakkelijker kan worden onderscheiden van de autofluorescentie van het weefsel. Hun techniek, die ze golflengte-geïnduceerde frequentiefiltering (WIFF) noemen, maakt gebruik van drie lasers om een ​​laserstraal met een oscillerende golflengte te creëren.

Wanneer deze oscillerende straal op de sensor schijnt, zorgt dit ervoor dat de fluorescentie die door de sensor wordt uitgezonden, zijn frequentie verdubbelt. Hierdoor kan het fluorescerende signaal gemakkelijk worden uitgezocht uit de autofluorescentie van de achtergrond. Met behulp van dit systeem konden de onderzoekers de signaal-ruisverhouding van de sensoren meer dan 50-voudig verbeteren.

Een mogelijke toepassing voor dit soort detectie is het monitoren van de effectiviteit van chemotherapiemedicijnen. Om dit potentieel aan te tonen, richtten de onderzoekers zich op glioblastoma, een agressieve vorm van hersenkanker. Patiënten met dit type kanker ondergaan meestal een operatie om zoveel mogelijk van de tumor te verwijderen, en krijgen vervolgens het chemotherapiemedicijn temozolomide (TMZ) om te proberen de resterende kankercellen te elimineren.

Dit medicijn kan ernstige bijwerkingen hebben en het werkt niet voor alle patiënten, dus het zou handig zijn om een ​​manier te hebben om gemakkelijk te controleren of het werkt of niet, zegt Strano.

“We werken aan technologie om kleine sensoren te maken die in de buurt van de tumor zelf kunnen worden geïmplanteerd, die een indicatie kunnen geven van hoeveel medicijn de tumor bereikt en of het wordt gemetaboliseerd. Je zou een sensor in de buurt van de tumor kunnen plaatsen en controleren vanaf buiten het lichaam de werkzaamheid van het medicijn in de werkelijke tumoromgeving, “zegt hij.

Wanneer temozolomide het lichaam binnenkomt, wordt het afgebroken tot kleinere verbindingen, waaronder een die bekend staat als AIC. Het MIT-team ontwierp een sensor die AIC kon detecteren en toonde aan dat ze deze tot 5,5 centimeter diep in een dierlijk brein konden implanteren. Ze konden het signaal van de sensor zelfs door de schedel van het dier lezen.

Dergelijke sensoren kunnen ook worden ontworpen om moleculaire kenmerken van tumorceldood te detecteren, zoals reactiezuurstofspecies.

“Elke golflengte”

Naast het detecteren van TMZ-activiteit, toonden de onderzoekers aan dat ze WIFF konden gebruiken om het signaal van een verscheidenheid aan andere sensoren te verbeteren, waaronder op koolstof-nanobuis gebaseerde sensoren die het laboratorium van Strano eerder heeft ontwikkeld om waterstofperoxide, riboflavine en ascorbinezuur te detecteren.

“De techniek werkt op elke golflengte en kan voor elke fluorescerende sensor worden gebruikt”, zegt Strano. “Omdat je nu zoveel meer signaal hebt, kun je een sensor implanteren op diepten in weefsel die voorheen niet mogelijk waren.”

Voor deze studie gebruikten de onderzoekers drie lasers samen om de oscillerende laserstraal te creëren, maar in de toekomst hopen ze een afstembare laser te gebruiken om het signaal te creëren en de techniek nog verder te verbeteren. Dit zou haalbaarder moeten worden naarmate de prijs van afstembare lasers daalt en ze sneller worden, zeggen de onderzoekers.

Om fluorescerende sensoren gemakkelijker te kunnen gebruiken bij menselijke patiënten, werken de onderzoekers aan sensoren die biologisch resorbeerbaar zijn, zodat ze niet operatief verwijderd hoeven te worden.