Nature子刊：麻省理工学院发现一种可以显著提高荧光纳米传感器信号的方法

麻省理工学院的工程师们发现了一种可以显著提高荧光纳米传感器发射信号的方法。研究人员表示，他们可以在组织中植入深度达5.5厘米的传感器，但仍能获得强烈的信号。

　　

荧光传感器，可以用于标记和成像各种各样的分子，提供了一个独特的内部活细胞。然而，它们通常只能用于在实验室培养皿中培养的细胞或接近身体表面的组织，因为当它们被植入太深时，信号就会丢失。

麻省理工学院的工程师们现在想出了一种方法来克服这一限制。利用他们开发的一种新颖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。研究人员表示，通过这种方法，他们可以在组织中植入深度达5.5厘米的传感器，仍然能获得强烈的信号。

研究人员说，这种技术可以使荧光传感器用于跟踪大脑或身体深处其他组织中的特定分子，用于医疗诊断或监测药物效果。

“如果你有一个荧光传感器可以探测生化信息在细胞培养中,或在薄层组织,这种技术允许您将所有的荧光染料和探讨厚组织,“说之上在美国,一个麻省理工学院的研究科学家和新研究的主要作者之一。

Naveed Bakh 15岁，20岁博士也是这篇发表在《自然纳米技术》杂志上的论文的主要作者。麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)是这项研究的资深作者。

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看到。然而，这在厚厚的、密集的组织或组织深处不起作用，因为组织本身也会发出一些荧光。这种被称为自体荧光的光会淹没传感器发出的信号。

“所有的组织都会自发荧光，这就成了一个限制因素，”科曼说。“随着传感器发出的信号越来越弱，它会被组织自身荧光取代。”

为了克服这一限制，麻省理工学院的研究小组想出了一种方法，可以调节传感器发出的荧光频率，这样就可以更容易地将其与组织自身荧光区分开来。他们的技术被称为波长诱导频率滤波(WIFF)，使用三束激光器产生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，它会使传感器发出的荧光频率加倍。这使得荧光信号很容易从背景的自体荧光中识别出来。使用该系统，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有效性。为了证明这种可能性，研究人员集中研究了恶性胶质瘤，这是一种恶性脑癌。这种类型的癌症患者通常接受手术，尽可能地切除肿瘤，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。

斯特拉诺说，这种药物可能会有严重的副作用，而且它并不是对所有的病人都有效，所以有一种方法可以很容易地监测它是否有效。

“我们正在研究制造可以植入肿瘤附近的小型传感器的技术，它可以显示有多少药物到达了肿瘤，以及药物是否被代谢。你可以在肿瘤附近放置一个传感器，从体外在实际的肿瘤环境中验证药物的疗效。”

当替莫唑胺进入人体后，它会被分解成更小的化合物，包括一种被称为AIC的化合物。麻省理工学院的研究小组设计了一种可以检测AIC的传感器，并表明他们可以将其植入动物大脑中，深度可达5.5厘米。他们甚至能够通过动物的头骨读取传感器发出的信号。

这种传感器也可以被设计用来检测肿瘤细胞死亡的分子特征，比如反应氧。

“任何波长”

除了检测TMZ活性，研究人员还证明了他们可以使用WIFF增强来自各种其他传感器的信号，包括基于碳纳米管的传感器，该传感器是斯特拉诺的实验室之前开发的，用于检测过氧化氢、核黄素和抗坏血酸。

斯特拉诺说:“这项技术适用于任何波长，它可以用于任何荧光传感器。”“因为现在有了更多的信号，你可以在组织深处植入一个传感器，这在以前是不可能的。”

在这项研究中，研究人员使用了三种激光一起来创造振荡激光束，但在未来的工作中，他们希望使用可调谐激光来创造信号，并进一步改进技术。研究人员说，随着可调谐激光器的价格下降和速度加快，这将变得更加可行。

为了使荧光传感器在人类患者中更容易使用，研究人员正在研究生物可吸收的传感器，这样它们就不需要通过手术移除。

文章标题

A wavelength-induced frequency filtering method for fluorescent nanosensors in vivo