Нанотрубки — под кожу

Флуоресцентными сенсоры называют потому, что они излучают электромагнитные волны, то есть светятся, если на них падает возбуждающее излучение, чаще лазерное. Характеристики излучения этих датчиков напрямую связаны с составом окружающей их среды.

Для различных целей инженеры применяют самые разные флуоресцентные сенсоры. Это и квантовые точки, и специфические белки, и углеродные нанотрубки. Однако засовывать такой датчик глубоко внутрь тела не имеет смысла, поскольку ткани человека сами флуоресцируют и сигнал датчика теряется на их фоне. Поэтому сенсоры обычно используют in vitro и в близких к поверхности тела биологических тканях.

Чтобы устранить это препятствие, физики Массачусетского технологического института предложили изменять излучение датчика так, чтобы его легко можно было отличить от излучения окружающих его тканей. Исследование было выполнено международной группой ученых под руководством доктора Володимира Комана (Volodymyr Koman) и профессора химической инженерии Майкла Страно (Michael Strano). Ученые возбуждали датчик лазерным излучением с меняющейся частотой, которое представляет собой смесь трех лазерных лучей, и это заставляло сенсор флуоресцировать на частоте, удвоенной относительно возбуждающего излучения. Двойная частота служила маркером полезного сигнала, выделяемого приемным устройством.

Теперь, при таком подходе, можно отслеживать эффективность лекарственных средств во время химиотерапии злокачественных опухолей. Исследователи продемонстрировали, как работает их метод на агрессивном раке мозга, глиобластоме.

После операции больные пациенты обычно получают термозоломид для устранения оставшихся злокачественных клеток. Когда он попадает в организм, то распадается на несколько более простых соединений. Лекарство очень токсично и имеет побочные эффекты, поэтому требует постоянного контроля. Маленькие сенсоры, вживленные в мозг, должны давать информацию о том, достаточна ли там концентрация лекарства и перерабатывается ли оно.

Сенсор, чувствительный к одному из продуктов распада лекарства, имплантировали в мозг поросенка. Датчик проник на пять с половиной сантиметров в глубину от поверхности кожи. При этом физики смогли надежно выделить полезный сигнал сенсора. Таким образом, новый метод позволил увеличить чувствительность датчика в пятьдесят раз.

Этот подход универсален, потому что метод удвоения частоты будет работать в любом флуоресцентном датчике на любых длинах волн лазерного возбуждения. Так помощью можно увеличить сигнал от углеродных нанотрубок, из которых, к примеру, делают сенсоры на пероксид водорода, рибофлавин и аскорбиновую кислоту. Использование трех лазеров также необязательно. В будущем физики будут применять один перестраиваемый лазер.

Ученые работают и над биологически растворимыми датчиками, которые будут сами рассасываться в организме.

Авторы считают, что их метод сможет изменить лицо медицины и наук о жизни, потому что позволит надежно мониторить разные процессы внутри биологических объектов. (Nature Nanotechnology, 2022 May 30, 2022)