L'ossigeno è essenziale per la vita umana, ma dentro il corpo, determinate condizioni ambientali biologiche possono trasformare l'ossigeno in molecole aggressivamente reattive chiamate specie reattive dell'ossigeno (ROS), che possono danneggiare il DNA, RNA, e proteine. Normalmente, il corpo si basa su molecole chiamate antiossidanti per convertire i ROS in specie chimiche meno pericolose attraverso un processo chiamato riduzione. Ma stili di vita malsani, varie malattie, fatica, e l'invecchiamento possono contribuire a uno squilibrio tra la produzione di ROS e la capacità del corpo di ridurli ed eliminarli. I conseguenti livelli eccessivi di ROS causano stress ossidativo, che possono interrompere le normali funzioni cellulari e aumentare il rischio di malattie come il cancro, neurodegenerazione, disfunzione renale, e altri, che sono tutti accompagnati da una grave infiammazione.

Poiché lo stress ossidativo è associato a varie malattie gravi, la sua individuazione all'interno di organi viventi offre una via per la diagnosi precoce e il trattamento preventivo, ed è, così, una questione di notevole interesse per gli scienziati che lavorano nel campo della biomedicina. Recente collaborazione internazionale tra il Japanese National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST), Accademia bulgara delle scienze, e l'Università di Sofia St. Kliment Ohridski in Bulgaria hanno portato a una tecnologia promettente per questo scopo:un nuovo sensore quantistico. Il loro lavoro è pubblicato sulla rivista scientifica Chimica analitica , 2021.

Secondo lo scienziato capo Dr. Rumiana Bakalova e il suo collega Dr. Ichio Aoki di QST, "il nuovo sensore è appropriato per la diagnosi precoce di patologie accompagnate da infiammazione, come malattie infettive, cancro, neurodegenerazione, aterosclerosi, diabete, e disfunzioni renali".

Il sensore comprende un nucleo a punto quantico, semiconduttore, rivestito con un composto simile a uno zucchero a forma di anello chiamato α-ciclodestrina, che a sua volta è legato a sei gruppi chimici sensibili all'ossidoriduzione chiamati derivati ​​del nitrossido. Questi componenti hanno il vantaggio di profili di sicurezza favorevoli, con le ciclodestrine approvate per l'uso negli alimenti e i derivati ​​nitrossidici considerati generalmente innocui per gli esseri viventi a causa delle loro proprietà antiossidanti.

I derivati ​​del nitrossido fanno sì che il sensore emetta segnali di fluorescenza ON quando è in uno stato ridotto e segnali magnetici ON quando è in uno stato ossidato. Ciò consente di rilevare lo stress ossidativo, o una ridotta capacità di cellule/tessuti, utilizzando metodi come la risonanza magnetica (MRI) e l'imaging paramagnetico elettronico (EPR), in grado di rilevare segnali magnetici. Il sensore chimico è anche legato a un composto chiamato trifenilfosfonio, che aiuta il sensore a entrare nelle cellule viventi e procedere ai mitocondri, quali sono i componenti cellulari più spesso responsabili della generazione di ROS, soprattutto in condizioni patologiche.

Per testare il loro nuovo sensore chimico, gli scienziati hanno prima eseguito esperimenti con colture di cellule del colon normali (sane) e cancerose in laboratorio. Per questo hanno usato il loro sensore nella forma ossidata. Nelle cellule sane, I segnali EPR sono stati spenti; ma nelle cellule tumorali, sono rimasti forti. Ciò indica che i sensori sono stati ridotti nelle cellule sane dagli antiossidanti ma sono rimasti nel loro stato ossidato nelle cellule tumorali, che a sua volta suggerisce che le cellule cancerose avevano una maggiore capacità ossidativa.

Per testare ulteriormente il sensore, i ricercatori hanno condotto esperimenti sia con topi sani che con quelli che erano stati allevati con una dieta ricca di colesterolo per 2 mesi, che li ha portati a sviluppare una disfunzione renale in fase iniziale a causa di un'infiammazione persistente. Rispetto ai topi sani, i topi con disfunzione renale hanno mostrato segnali MRI più forti nei reni, suggerendo che i loro reni erano sottoposti a un maggiore stress ossidativo.

Questo lavoro è nelle sue fasi iniziali e sono necessarie molte ricerche prima che questi sensori possano essere pronti per l'uso medico. Ma questi risultati rivelano il potenziale di tale tecnologia. La dott.ssa Bakalova osserva:"Il nostro sensore è adatto per analizzare anche piccoli squilibri redox associati alla sovrapproduzione di ROS, tramite risonanza magnetica. E mentre la risonanza magnetica e la TC da sole sono state in grado di diagnosticare un danno renale in stadio avanzato, non sono ancora stati in grado di visualizzare le prime fasi della disfunzione. L'uso della nostra sonda potrebbe aiutare i medici a identificare i pazienti nella fase iniziale del danno renale prima che necessitino di emodialisi o trapianto di rene. Con ulteriori ricerche, il nostro sensore potrebbe essere la prossima generazione di sonde di contrasto sensibili all'ossidoriduzione per la diagnosi precoce della disfunzione renale, e forse, una serie di altre malattie che sono accompagnate da infiammazione".