Sensores fluorescentes, que podem ser usados ​​para rotular e criar imagens de uma ampla variedade de moléculas, oferecem uma visão única do interior das células vivas. No entanto, eles normalmente só podem ser usados ​​em células cultivadas em uma placa de laboratório ou em tecidos próximos à superfície do corpo, porque seu sinal é perdido quando são implantados muito profundamente.
Os engenheiros do MIT agora encontraram uma maneira de superar essa limitação. Usando uma nova técnica fotônica que eles desenvolveram para excitar qualquer sensor fluorescente, eles conseguiram melhorar drasticamente o sinal fluorescente. Com essa abordagem, os pesquisadores mostraram que poderiam implantar sensores com até 5,5 centímetros de profundidade no tecido e ainda obter um sinal forte.

Esse tipo de tecnologia pode permitir que sensores fluorescentes sejam usados ​​para rastrear moléculas específicas dentro do cérebro ou outros tecidos nas profundezas do corpo, para diagnóstico médico ou monitoramento de efeitos de drogas, dizem os pesquisadores.

“Se você tem um sensor fluorescente que pode sondar informações bioquímicas em cultura de células ou em camadas finas de tecido, essa tecnologia permite traduzir todos esses corantes e sondas fluorescentes em tecido espesso”, diz Volodymyr Koman, pesquisador do MIT e um dos principais autores do novo estudo.

Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 também é um dos principais autores do artigo, que aparece hoje na Nature Nanotechnology . Michael Strano, professor de Engenharia Química da Carbon P. Dubbs no MIT, é o autor sênior do estudo.

fluorescência melhorada

Os cientistas usam muitos tipos diferentes de sensores fluorescentes, incluindo pontos quânticos, nanotubos de carbono e proteínas fluorescentes, para rotular moléculas dentro das células. A fluorescência desses sensores pode ser vista ao incidir luz laser sobre eles. No entanto, isso não funciona em tecidos espessos e densos ou profundamente no tecido, porque o próprio tecido também emite alguma luz fluorescente. Essa luz, chamada autofluorescência, abafa o sinal vindo do sensor.

"Todos os tecidos autofluorescem, e isso se torna um fator limitante", diz Koman. "À medida que o sinal do sensor se torna cada vez mais fraco, ele é ultrapassado pela autofluorescência do tecido."

Para superar essa limitação, a equipe do MIT surgiu com uma maneira de modular a frequência da luz fluorescente emitida pelo sensor para que possa ser mais facilmente distinguida da autofluorescência do tecido. Sua técnica, que eles chamam de filtragem de frequência induzida por comprimento de onda (WIFF), usa três lasers para criar um feixe de laser com um comprimento de onda oscilante.

Quando este feixe oscilante incide sobre o sensor, faz com que a fluorescência emitida pelo sensor dobre sua frequência. Isso permite que o sinal fluorescente seja facilmente selecionado da autofluorescência de fundo. Usando esse sistema, os pesquisadores conseguiram aumentar a relação sinal-ruído dos sensores em mais de 50 vezes.

Uma possível aplicação para esse tipo de sensoriamento é monitorar a eficácia dos medicamentos quimioterápicos. Para demonstrar esse potencial, os pesquisadores se concentraram no glioblastoma, um tipo agressivo de câncer no cérebro. Os pacientes com esse tipo de câncer geralmente passam por cirurgia para remover o máximo possível do tumor e, em seguida, recebem o medicamento quimioterápico temozolomida (TMZ) para tentar eliminar as células cancerígenas remanescentes.

Este medicamento pode ter sérios efeitos colaterais e não funciona para todos os pacientes, por isso seria útil ter uma maneira de monitorar facilmente se está funcionando ou não, diz Strano.

"Estamos trabalhando em tecnologia para fazer pequenos sensores que podem ser implantados perto do próprio tumor, o que pode dar uma indicação de quanto medicamento está chegando ao tumor e se está sendo metabolizado. Você pode colocar um sensor perto do tumor e verificar a partir de fora do corpo a eficácia da droga no ambiente real do tumor", diz ele.

Quando a temozolomida entra no corpo, ela é dividida em compostos menores, incluindo um conhecido como AIC. A equipe do MIT projetou um sensor que poderia detectar AIC e mostrou que eles poderiam implantá-lo a uma profundidade de 5,5 centímetros dentro de um cérebro animal. Eles foram capazes de ler o sinal do sensor até mesmo através do crânio do animal.

Esses sensores também podem ser projetados para detectar assinaturas moleculares de morte de células tumorais, como espécies de oxigênio de reação.

"Qualquer comprimento de onda"

Além de detectar a atividade da TMZ, os pesquisadores demonstraram que poderiam usar o WIFF para melhorar o sinal de uma variedade de outros sensores, incluindo sensores baseados em nanotubos de carbono que o laboratório de Strano desenvolveu anteriormente para detectar peróxido de hidrogênio, riboflavina e ácido ascórbico.

"A técnica funciona em qualquer comprimento de onda e pode ser usada para qualquer sensor fluorescente", diz Strano. “Como você tem muito mais sinal agora, pode implantar um sensor em profundidades no tecido que não eram possíveis antes”.

Para este estudo, os pesquisadores usaram três lasers juntos para criar o feixe de laser oscilante, mas em trabalhos futuros, eles esperam usar um laser ajustável para criar o sinal e melhorar ainda mais a técnica. Isso deve se tornar mais viável à medida que o preço dos lasers sintonizáveis ​​diminui e eles se tornam mais rápidos, dizem os pesquisadores.

Para ajudar a tornar os sensores fluorescentes mais fáceis de usar em pacientes humanos, os pesquisadores estão trabalhando em sensores biologicamente reabsorvíveis, para que não precisem ser removidos cirurgicamente. + Explorar mais

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