可用于標記和成像各種分子的熒光傳感器提供了活細胞內部的獨特一瞥。然而，它們通常只能用于在實驗室培養皿中生長的細胞或靠近身體表面的組織中，因為當它們植入太深時，它們的信號會丟失。

麻省理工學院的工程師現在想出了一種克服這一限制的方法。使用他們開發的用于激發任何熒光傳感器的新型光子技術，他們能夠顯著改善熒光信號。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信號。

研究人員說，這種技術可以使熒光傳感器用于跟蹤大腦或身體深處其他組織內的特定分子，用于醫學診斷或監測藥物效果。

“如果你有一個可以探測細胞培養或薄組織層中的生化信息的熒光傳感器，那么這項技術可以讓你將所有這些熒光染料和探針轉化為厚組織，”麻省理工學院研究科學家 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，該論文今天發表在Nature Nanotechnology上。麻省理工學院 Carbon P. Dubbs 化學工程教授 Michael Strano 是該研究的作者。

增強熒光

科學家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，因為組織本身也會發出一些熒光。這種稱為自發熒光的光會淹沒來自傳感器的信號。

“所有組織都會自發熒光，這成為一個限制因素，”科曼說。“隨著來自傳感器的信號越來越弱，它會被組織自發熒光所取代。”

為了克服這一限制，麻省理工學院的團隊想出了一種方法來調節傳感器發出的熒光頻率，以便更容易地將其與組織自發熒光區分開來。他們的技術，他們稱之為波長誘導頻率濾波 (WIFF)，使用三個激光器來產生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，它會使傳感器發出的熒光頻率增加一倍。這使得熒光信號可以很容易地從背景自發熒光中挑選出來。使用該系統，研究人員能夠將傳感器的信噪比提高 50 倍以上。

這種傳感的一種可能應用是監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母細胞瘤，一種侵襲性腦癌。患有此類癌癥的患者通常會接受手術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胞。

Strano 說，這種藥物可能會產生嚴重的副作用，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，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腫瘤以及它是否正在被代謝。你可以在腫瘤附近放置一個傳感器，并從體外驗證藥物在實際腫瘤環境中的功效，”他說。

當替莫唑胺進入體內時，它會分解成更小的化合物，包括一種稱為 AIC 的化合物。麻省理工學院的團隊設計了一種可以檢測 AIC 的傳感器，并表明他們可以將其植入動物大腦 5.5 厘米深處。他們甚至能夠通過動物的頭骨讀取來自傳感器的信號。

這種傳感器還可以設計用于檢測腫瘤細胞死亡的分子特征，例如反應氧。

“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 來增強來自各種其他傳感器的信號，包括 Strano 實驗室之前開發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。

“該技術適用于任何波長，可用于任何熒光傳感器，”Strano 說。“因為你現在有更多的信號，你可以在組織深處植入一個傳感器，這在以前是不可能的。”

在這項研究中，研究人員同時使用了三個激光器來產生振蕩激光束，但在未來的工作中，他們希望使用可調諧激光器來產生信號并進一步改進技術。研究人員說，隨著可調諧激光器價格的下降和速度的加快，這應該會變得更加可行。

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 癌癥中心橋梁項目資助。瑞士科學基金會、日本科學促進會、阿卜杜拉國王科技大學、Zuckerman STEM 領導力計劃、以色列科學基金會以及阿諾德和梅布爾貝克曼基金會提供了額外的資金。