حسگرهای فلورسنت، که می‌توانند برای برچسب‌گذاری و تصویربرداری از طیف گسترده‌ای از مولکول‌ها استفاده کنند، تصاویری اجمالی و منحصربه‌فرد از داخل سلول‌های زنده ارائه می‌کنند. با این حال، آن‌ها معمولاً فقط در سلول‌هایی که در ظرف آزمایشگاهی یا در بافت‌های نزدیک به سطح بدن رشد می‌کنند، قابل استفاده هستند، زیرا سیگنال‌های آن‌ها در صورت کاشت بیش از حد عمیق، از بین می‌رود. مهندسان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) به تازگی راهی برای غلبه بر این محدودیت ارائه کرده‌اند.
استفاده از نانومهندسی برای تقویت سیگنال‌های فلورسانس
آن‌ها با استفاده از یک روش جدید فوتونیکی که برای برانگیختن هر حسگر فلورسنت ایجاد کردند، توانستند سیگنال فلورسنت را به طور چشمگیری بهبود بخشند. با این رویکرد، محققان نشان دادند که می‌توانند حسگرهایی را تا عمق ۵٫۵ سانتی‌متر در بافت کاشت کنند و همچنان یک سیگنال قوی دریافت کنند.
به گفته محققان، این نوع فناوری می‌تواند حسگرهای فلورسنت را برای ردیابی مولکول‌های خاص در داخل مغز یا سایر بافت‌ها در اعماق بدن، برای تشخیص پزشکی یا نظارت بر اثرات دارو استفاده کند. دانشمندان از انواع مختلفی از حسگرهای فلورسنت، از جمله نقاط کوانتومی، نانولوله‌های کربنی و پروتئین‌های فلورسنت برای برچسب‌گذاری مولکول‌های داخل سلول‌ها استفاده می‌کنند. فلورسانس این حسگرها را می‌توان با تابش نور لیزر بر روی آن‌ها مشاهده کرد. با این حال، این حسگر در بافت ضخیم، متراکم یا در عمق بافت کار نمی‌کند، زیرا خود بافت نیز مقداری نور فلورسنت ساطع می‌کند. این نور که اتوفلورسانس نام دارد، سیگنال دریافتی از حسگر را خفه می‌کند.
به گفته محققان این پروژه تمام بافت‌ها اتوفلورسانس می‌شوند و این به یک عامل محدودکننده تبدیل می‌شود. زمانی که سیگنال حسگر ضعیف‌تر و ضعیف‌تر می‌شود، اتوفلورسانس بافت بر آن غلبه می‌کند. برای رفع این محدودیت، پژوهشگران روشی برای تعدیل فرکانس نور فلورسنت ساطع شده توسط حسگر ابداع کرد تا بتوان به راحتی آن را از اتوفلورسانس بافتی متمایز کرد. این روش، که آن‌ها آن را فیلتر فرکانس ناشی از طول موج (WIFF) می نامند، از سه لیزر برای ایجاد یک پرتو لیزر با طول موج نوسانی استفاده می‌کند. هنگامی که این پرتو نوسانی به حسگر تابیده می‌شود، باعث می‌شود فلورسانس ساطع شده از حسگر فرکانس خود را دو برابر کند. این کار اجازه می‌دهد تا سیگنال فلورسنت به راحتی از اتوفلورسانس پس زمینه انتخاب شود. با استفاده از این سیستم، محققان توانستند نسبت سیگنال به نویز حسگرها را بیش از ۵۰ برابر افزایش دهند. یکی از کاربردهای احتمالی این نوع حس، نظارت بر اثربخشی داروهای شیمی درمانی است. برای نشان دادن این پتانسیل، محققان بر روی گلیوبلاستوما، یک نوع تهاجمی سرطان مغز تمرکز کردند. بیماران مبتلا به این نوع سرطان معمولاً تحت عمل جراحی قرار می گیرند تا آنجا که ممکن است تومور را از بین ببرند، سپس داروی شیمی درمانی تموزولومید (TMZ) را دریافت می کنند تا سلول‌های سرطانی باقی مانده را از بین ببرند.
استرانو می‌گوید: «این دارو می‌تواند عوارض جانبی جدی داشته باشد و برای همه بیماران کار نمی‌کند، بنابراین داشتن راهی برای نظارت آسان بر عملکرد یا عدم کارکرد آن مفید خواهد بود. ما در حال کار بر روی فناوری هستیم تا حسگرهای کوچکی بسازیم که می‌توانند در نزدیکی خود تومور کاشته شوند، که می‌تواند نشان دهد که چه مقدار دارو به تومور می‌رسد و آیا در حال متابولیسم است یا خیر. »
هنگامی که تموزولوماید وارد بدن می شود، به ترکیبات کوچکتر، از جمله به AIC، تجزیه می شود. تیم MIT حسگری را طراحی کرد که می‌تواند AIC را تشخیص دهد و نشان داد که می‌تواند آن را تا عمق ۵٫۵ سانتی‌متر در مغز حیوان کاشته کند. آن‌ها توانستند سیگنال حسگر را حتی از طریق جمجمه حیوان بخوانند.
علاوه بر شناسایی فعالیت TMZ، محققان نشان دادند که می‌توانند از WIFF برای تقویت سیگنال انواع حسگرهای دیگر، از جمله حسگرهای مبتنی بر نانولوله‌های کربنی که آزمایشگاه استرانو قبلا برای تشخیص پراکسید هیدروژن، ریبوفلاوین و اسید اسکوربیک ساخته بود، استفاده کنند.
استرانو می‌گوید: «این روش در هر طول موجی کار می‌کند و می‌توان از آن برای هر حسگر فلورسنتی استفاده کرد. از آنجایی که اکنون سیگنال بسیار بیشتری دارید، می‌توانید حسگر را در اعماق بافتی که قبلاً امکان‌پذیر نبود، کاشت کنید.»
برای این مطالعه، محققان از سه لیزر با هم برای ایجاد پرتو لیزر نوسانی استفاده کردند، اما در کارهای آینده، آن‌ها امیدوارند که از لیزر قابل تنظیم برای ایجاد سیگنال و بهبود تکنیک بیشتر استفاده کنند.
