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I sensori fluorescenti, che possono essere utilizzati per etichettare e visualizzare un'ampia varietà di molecole, offrono uno sguardo unico all'interno delle cellule viventi. Tuttavia, in genere possono essere utilizzati solo in cellule cresciute in una piastra di laboratorio o in tessuti vicini alla superficie del corpo, perché il loro segnale viene perso quando vengono impiantati troppo in profondità.
Gli ingegneri del MIT hanno ora escogitato un modo per superare questa limitazione. Utilizzando una nuova tecnica fotonica sviluppata per eccitare qualsiasi sensore fluorescente, sono stati in grado di migliorare notevolmente il segnale fluorescente. Con questo approccio, i ricercatori hanno dimostrato di poter impiantare sensori profondi fino a 5,5 centimetri nei tessuti e ottenere comunque un segnale forte.
Questo tipo di tecnologia potrebbe consentire l'utilizzo di sensori fluorescenti per tracciare molecole specifiche all'interno del cervello o altri tessuti in profondità all'interno del corpo, per la diagnosi medica o il monitoraggio degli effetti dei farmaci, affermano i ricercatori.
"Se si dispone di un sensore fluorescente in grado di sondare le informazioni biochimiche nella coltura cellulare o in strati di tessuto sottile, questa tecnologia consente di tradurre tutti quei coloranti e sonde fluorescenti in tessuto spesso", afferma Volodymyr Koman, ricercatore del MIT e uno degli autori principali del nuovo studio.
Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 è anche uno degli autori principali dell'articolo, che appare oggi in Nature Nanotechnology . Michael Strano, il Professore di Ingegneria Chimica di Carbon P. Dubbs al MIT, è l'autore senior dello studio.
fluorescenza potenziata
Gli scienziati utilizzano diversi tipi di sensori fluorescenti, inclusi punti quantici, nanotubi di carbonio e proteine fluorescenti, per etichettare le molecole all'interno delle cellule. La fluorescenza di questi sensori può essere vista proiettando luce laser su di essi. Tuttavia, questo non funziona nel tessuto spesso, denso o in profondità all'interno del tessuto, perché il tessuto stesso emette anche una luce fluorescente. Questa luce, chiamata autofluorescenza, copre il segnale proveniente dal sensore.
"Tutti i tessuti sono autofluorescenti e questo diventa un fattore limitante", afferma Koman. "Man mano che il segnale del sensore diventa sempre più debole, viene superato dall'autofluorescenza dei tessuti."
Per superare questa limitazione, il team del MIT ha escogitato un modo per modulare la frequenza della luce fluorescente emessa dal sensore in modo che possa essere più facilmente distinta dall'autofluorescenza del tessuto. La loro tecnica, che chiamano filtraggio della frequenza indotta dalla lunghezza d'onda (WIFF), utilizza tre laser per creare un raggio laser con una lunghezza d'onda oscillante.
Quando questo raggio oscillante viene proiettato sul sensore, fa sì che la fluorescenza emessa dal sensore raddoppi la sua frequenza. Ciò consente di rilevare facilmente il segnale fluorescente dall'autofluorescenza di fondo. Utilizzando questo sistema, i ricercatori sono stati in grado di aumentare di oltre 50 volte il rapporto segnale/rumore dei sensori.
Una possibile applicazione per questo tipo di rilevamento è il monitoraggio dell'efficacia dei farmaci chemioterapici. Per dimostrare questo potenziale, i ricercatori si sono concentrati sul glioblastoma, un tipo aggressivo di cancro al cervello. I pazienti con questo tipo di cancro di solito vengono sottoposti a un intervento chirurgico per rimuovere la maggior parte del tumore possibile, quindi ricevono il farmaco chemioterapico temozolomide (TMZ) per cercare di eliminare le cellule tumorali rimanenti.
Questo farmaco può avere gravi effetti collaterali e non funziona per tutti i pazienti, quindi sarebbe utile avere un modo per monitorare facilmente se funziona o meno, afferma Strano.
"Stiamo lavorando alla tecnologia per realizzare piccoli sensori che potrebbero essere impiantati vicino al tumore stesso, che possono dare un'indicazione di quanto farmaco sta arrivando al tumore e se viene metabolizzato. Potresti posizionare un sensore vicino al tumore e verificare da al di fuori del corpo l'efficacia del farmaco nell'ambiente del tumore reale", afferma.
Quando la temozolomide entra nel corpo, viene scomposta in composti più piccoli, incluso uno noto come AIC. Il team del MIT ha progettato un sensore in grado di rilevare l'AIC e ha dimostrato di poterlo impiantare a una profondità di 5,5 centimetri all'interno del cervello di un animale. Sono stati in grado di leggere il segnale dal sensore anche attraverso il cranio dell'animale.
Tali sensori potrebbero anche essere progettati per rilevare le firme molecolari della morte delle cellule tumorali, come le specie di reazione dell'ossigeno.
"Qualsiasi lunghezza d'onda"
Oltre a rilevare l'attività di TMZ, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbero utilizzare WIFF per migliorare il segnale da una varietà di altri sensori, inclusi sensori basati su nanotubi di carbonio che il laboratorio di Strano ha precedentemente sviluppato per rilevare perossido di idrogeno, riboflavina e acido ascorbico.
"La tecnica funziona a qualsiasi lunghezza d'onda e può essere utilizzata per qualsiasi sensore fluorescente", afferma Strano. "Poiché ora hai molto più segnale, puoi impiantare un sensore a profondità nei tessuti che prima non erano possibili."
Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato tre laser insieme per creare il raggio laser oscillante, ma in futuro sperano di utilizzare un laser sintonizzabile per creare il segnale e migliorare ulteriormente la tecnica. Ciò dovrebbe diventare più fattibile man mano che il prezzo dei laser sintonizzabili diminuisce e diventano più veloci, affermano i ricercatori.
Per aiutare a rendere i sensori fluorescenti più facili da usare nei pazienti umani, i ricercatori stanno lavorando su sensori che sono biologicamente riassorbibili, quindi non dovrebbero essere rimossi chirurgicamente. + Esplora ulteriormente
