荧光传感器可用于标记和成像各种各样的分子，提供了对活细胞内部的独特窥视。然而，它们通常只能用于实验室培养的细胞或靠近身体表面的组织，因为当它们被植入太深时，它们的信号会丢失。麻省理工学院（MIT）的工程师们现在已经设计出一个解决方案来克服这一限制。通过使用他们发明的一种新的光子技术来激发任何荧光传感器，他们能够显著提高荧光信号。通过这种方法，科学家们表明他们可以将传感器植入5.5厘米深的组织中，并且仍然可以获得强烈的信号。
据研究人员称，这种类型的技术可能允许荧光传感器被用来追踪大脑或身体深处其他组织内的特定分子，用于医疗诊断或监测药物效果。
“如果你有一个可以在细胞培养中探测生化信息的荧光传感器，或者在薄的组织层中，这项技术可以让你把所有这些荧光染料和探针转化为厚的组织，”MIT研究科学家和这项新研究的主要作者之一Volodymyr Koman说。
Naveed Bakh也是该论文的主要作者，该论文于2022年5月30日发表在《自然-纳米技术》上。麻省理工学院化学工程系Carbon P. Dubbs教授Michael Strano是该研究的资深作者。
增强的荧光
科学家们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激光照射它们而被看到。然而，这在厚实、密集的组织中，或在组织深处不起作用，因为组织本身也会发出一些萤光。这种光被称为自发荧光，会淹没来自传感器的信号。
“所有的组织都有自发荧光，这成为一个限制性因素，”Koman说。“随着来自传感器的信号变得越来越弱，它就会被组织的自发荧光所取代。”
为了克服这一限制，MIT的团队想出了一种方法来调节传感器发出的荧光的频率，以便它能更容易地与组织的自发荧光相区别。他们的技术，他们称之为波长诱导的频率过滤（WIFF），使用三个激光器来创造一个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，它使传感器发出的荧光的频率增加一倍。这使得荧光信号可以很容易地从背景自发荧光中挑出来。利用这个系统，研究人员能够将传感器的信噪比提高50倍以上。
这种传感的一个可能应用是监测化疗药物的效果。为了证明这种潜力，研究人员把重点放在胶质母细胞瘤上，这是一种侵略性的脑癌。患有这种类型的癌症的病人通常接受手术，尽可能多地切除肿瘤，然后接受化疗药物替莫唑胺（TMZ），试图消除任何剩余的癌细胞。
Strano说，这种药物可能有严重的副作用，而且它并不对所有患者都有效，因此，如果有一种方法可以轻松监测它是否有效，那将是很有帮助的。
“我们正在研究制造小型传感器的技术，这些传感器可以植入肿瘤本身附近，这可以显示有多少药物到达肿瘤，以及是否被代谢掉了。”他说：“你可以在肿瘤附近放置一个传感器，从体外验证药物在实际肿瘤环境中的疗效。”
当替莫唑胺进入体内时，它会被分解成更小的化合物，包括一种被称为AIC的化合物。MIT的团队设计了一个可以检测AIC的传感器，并表明他们可以将其植入动物大脑5.5厘米的深处。他们甚至能够通过动物的头骨来读取传感器的信号。这样的传感器也可以被设计用来检测肿瘤细胞死亡的分子特征，如反应氧物种。
“任何波长”
除了检测TMZ的活性之外，研究人员还证明他们可以使用WIFF来增强其他各种传感器的信号，包括Strano的实验室以前开发的用于检测过氧化氢、核黄素和抗坏血酸的碳纳米管传感器。
Strano说：“这项技术在任何波长下都能工作，而且它可以用于任何荧光传感器。因为你现在有如此多的信号，你可以将传感器植入组织的深度，这在以前是不可能的。”
在这项研究中，研究人员使用了三台激光器来创造振荡的激光束，但在未来的工作中，他们希望使用可调谐的激光器来创造信号，并进一步改进这项技术。研究人员说，随着可调谐激光器的价格下降和它们的速度变快，这应该变得更加可行。
为了帮助使荧光传感器更容易在人类患者身上使用，研究人员正在研究生物可吸收的传感器，因此它们将不需要通过手术切除。