Wie Fluoreszenzsignale tiefere Sensorimplantate im Gehirn ermöglichen könnten

3. Juni 2022 Von Danielle Kirsh

[Bild mit freundlicher Genehmigung des Massachusetts Institute of Technology]

Fluoreszenzsensoren werden typischerweise zur Markierung und Abbildung verschiedener Moleküle verwendet, um einen einzigartigen Einblick in das Innere lebender Zellen zu ermöglichen. Die Methode war jedoch auf Zellen beschränkt, die in einer Laborschale oder in Geweben näher an der Körperoberfläche gezüchtet wurden, da das Signal der Sensoren verloren geht, wenn sie zu tief in den Körper implantiert werden.

Laut einer Pressemitteilung hat die photonische Technik des MIT-Ingenieurteams das Fluoreszenzsignal „dramatisch verbessert“. Die Forscher zeigten, dass Sensoren bis zu 5,5 cm tief in das Gewebe implantiert werden könnten und dennoch ein starkes Signal liefern. Eine verbesserte Signalübertragung könnte Fluoreszenzsensoren helfen, bestimmte Moleküle im Gehirn oder anderen Geweben tief im Körper zu verfolgen, um medizinische Diagnosen zu stellen oder die Wirkung von Medikamenten zu überwachen.

„Wenn Sie über einen Fluoreszenzsensor verfügen, der biochemische Informationen in Zellkulturen oder in dünnen Gewebeschichten untersuchen kann, können Sie mit dieser Technologie all diese Fluoreszenzfarbstoffe und Sonden in dickes Gewebe übertragen“, sagte der Hauptautor der Studie Volodymyr Koman.

Traditionell verwenden Wissenschaftler verschiedene Arten von Fluoreszenzsensoren, darunter Quantenpunkte, Kohlenstoffnanoröhren und fluoreszierende Proteine, um Moleküle in den Zellen zu markieren. Die Fluoreszenz der Sensoren lässt sich erkennen, indem man sie mit Laserlicht bestrahlt. Die Methode funktioniert jedoch nicht in dickem, dichtem Gewebe oder tief im Gewebe, da das Gewebe fluoreszierendes Licht, sogenannte Autofluoreszenz, aussendet, wodurch die Implantatsignale schwach werden.

„Alle Gewebe fluoreszieren autofluoreszierend, und das wird zu einem limitierenden Faktor“, sagte Koman. „Wenn das Signal des Sensors immer schwächer wird, wird es von der Autofluoreszenz des Gewebes überholt.“

Die MIT-Forscher modulierten die Frequenz des vom Sensor emittierten Fluoreszenzlichts, damit es leichter von der Autofluoreszenz des Gewebes unterschieden werden konnte. Bei dieser Methode, die als wellenlängeninduzierte Frequenzfilterung (WIFF) bezeichnet wird, werden drei Laser verwendet, um einen Laserstrahl mit einer oszillierenden Wellenlänge zu erzeugen.

Oszillierende Strahlen werden auf die Sensoren gerichtet und bewirken, dass die vom Sensor emittierte Fluoreszenz ihre Frequenz verdoppelt, so die Forscher. Das Signal kann dann leicht aus der Autofluoreszenz des Hintergrunds herausgegriffen werden. Die Forscher berichteten, dass sie das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors um mehr als das 50-fache verbesserten.

Die Forscher schlagen vor, dass die Methode zur Überwachung der Wirksamkeit von Chemotherapeutika eingesetzt werden könnte. Um seine Verwendbarkeit zu demonstrieren, konzentrierte sich das Team auf Glioblastome. Patienten mit dieser aggressiven Form von Hirntumor unterziehen sich in der Regel einer Operation, um den Tumor so weit wie möglich zu entfernen, und erhalten anschließend eine Chemotherapie, um die verbleibenden Krebszellen zu beseitigen.

„Wir arbeiten an einer Technologie zur Herstellung kleiner Sensoren, die in der Nähe des Tumors selbst implantiert werden könnten und einen Hinweis darauf geben können, wie viel Medikament im Tumor ankommt und ob es verstoffwechselt wird. Man könnte einen Sensor in der Nähe des Tumors platzieren und von außerhalb des Körpers die Wirksamkeit des Medikaments in der tatsächlichen Tumorumgebung überprüfen“, sagte Michael Strano, leitender Autor der Studie und Carbon P. Dubbs-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT.

Wenn das Krebsmedikament Temozolomid in den Körper gelangt, wird es in kleinere Verbindungen zerlegt, und das MIT-Team hat einen Sensor entwickelt, um die als AIC bekannte Verbindung zu erkennen. Sie fanden heraus, dass das Implantat bis zu 5,5 cm tief im Gehirn eines Tieres platziert werden konnte und das Signal des Sensors sogar durch den Schädel des Tieres hindurch lesen konnte.

Die Forscher schlagen vor, dass die Sensoren auch zur Erkennung molekularer Signaturen des Tumorzelltods eingesetzt werden könnten. Die WIFF-Methode könnte verwendet werden, um das Signal anderer Arten von Sensoren zu verstärken, einschließlich Sensoren auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis, die Wasserstoffperoxid, Riboflavin und Ascorbinsäure erkennen.

„Die Technik funktioniert bei jeder Wellenlänge und kann für jeden Fluoreszenzsensor verwendet werden“, sagte Strano. „Da Sie jetzt über so viel mehr Signal verfügen, können Sie einen Sensor in Tiefen in das Gewebe implantieren, die vorher nicht möglich waren.“

Das MIT-Team hofft, die Forschung mit einem abstimmbaren Laser fortsetzen zu können, um das Signal zu erzeugen und die Technik noch weiter zu verbessern. Sie arbeiten auch an Sensoren, die biologisch resorbierbar sind und nicht operativ entfernt werden müssen.

Die Forschung wurde vom Koch Institute for Integrative Cancer Research und dem Dana-Farber/Harvard Cancer Center Bridge Project mit zusätzlichen Mitteln vom Schweizerischen Nationalfonds, der Japan Society for the Promotion of Science, der King Abdullah University of Science and Technology, finanziert. das Zuckerman STEM Leadership Program, die Israeli Science Foundation und die Arnold and Mabel Beckman Foundation. Es wurde in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.