엔지니어는 형광 센서의 신호를 증폭합니다. 날짜: 2022년 5월 30일 원천: 매사추세츠 공과 대학 요약: 엔지니어들은 형광 나노센서에 의해 방출되는 신호를 극적으로 개선하는 방법을 발견했습니다. 연구원들은 센서를 조직에 5.5cm 깊이로 이식해도 여전히 강한 신호를 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 이 발전은 입자가 생물학적 조직 내 더 깊숙이 위치하도록 하여 암 진단 또는 모니터링에 도움이 될 수 있습니다.
다양한 분자에 레이블을 지정하고 이미지화하는 데 사용할 수 있는 형광 센서는 살아있는 세포 내부를 고유하게 엿볼 수 있습니다. 그러나 일반적으로 실험실 접시에서 성장한 세포나 신체 표면에 가까운 조직에서만 사용할 수 있습니다. 너무 깊게 이식되면 신호가 손실되기 때문입니다.
MIT 엔지니어들은 이제 그 한계를 극복하는 방법을 생각해 냈습니다. 모든 형광 센서를 자극하기 위해 개발한 새로운 광자 기술을 사용하여 형광 신호를 극적으로 개선할 수 있었습니다. 이 접근 방식을 통해 연구원들은 조직에 5.5센티미터 깊이로 센서를 삽입할 수 있고 여전히 강한 신호를 얻을 수 있음을 보여주었습니다.
이러한 종류의 기술은 형광 센서가 의학적 진단 또는 약물 효과 모니터링을 위해 뇌 또는 신체 깊숙한 다른 조직 내부의 특정 분자를 추적하는 데 사용될 수 있다고 연구자들은 말합니다.
"세포 배양 또는 얇은 조직 층에서 생화학적 정보를 조사할 수 있는 형광 센서가 있다면 이 기술을 통해 모든 형광 염료와 프로브를 두꺼운 조직으로 번역할 수 있습니다." 새로운 연구의 주 저자.
Naveed Bakh SM '15, PhD '20은 오늘날 Nature Nanotechnology 에 게재된 논문의 주 저자이기도 합니다 . MIT의 Carbon P. Dubbs 화학 공학 교수인 Michael Strano는 이 연구의 수석 저자입니다.
향상된 형광
과학자들은 양자점, 탄소 나노튜브 및 형광 단백질을 포함한 다양한 종류의 형광 센서를 사용하여 세포 내부의 분자에 라벨을 붙입니다. 이 센서의 형광은 레이저 빛을 비추면 볼 수 있습니다. 그러나 조직 자체가 형광등을 방출하기 때문에 두껍고 조밀한 조직 또는 조직 내부 깊숙한 곳에서는 작동하지 않습니다. 자가형광이라고 하는 이 빛은 센서에서 나오는 신호를 차단합니다.
Koman은 "모든 조직이 자가형광을 하고 이것이 제한 요인이 됩니다"라고 말합니다. "센서의 신호가 점점 약해지면 조직의 자가형광에 의해 추월당하게 됩니다."
이러한 한계를 극복하기 위해 MIT 팀은 센서에서 방출되는 형광의 주파수를 조직 자가형광과 더 쉽게 구별할 수 있도록 변조하는 방법을 고안했다. 파장 유도 주파수 필터링(WIFF)이라고 하는 그들의 기술은 3개의 레이저를 사용하여 진동 파장의 레이저 빔을 생성합니다.
이 진동 빔이 센서에 비추면 센서에서 방출되는 형광이 주파수를 두 배로 증가시킵니다. 이를 통해 형광 신호가 배경 자가형광에서 쉽게 선택될 수 있습니다. 이 시스템을 사용하여 연구원들은 센서의 신호 대 잡음비를 50배 이상 향상시킬 수 있었습니다.
이러한 종류의 감지에 대한 한 가지 가능한 응용 프로그램은 화학 요법 약물의 효과를 모니터링하는 것입니다. 이러한 잠재력을 입증하기 위해 연구자들은 공격적인 유형의 뇌암인 교모세포종에 초점을 맞췄습니다. 이러한 유형의 암에 걸린 환자는 일반적으로 가능한 많은 종양을 제거하기 위해 수술을 받은 다음 남아 있는 암세포를 제거하기 위해 화학요법 약물인 테모졸로마이드(TMZ)를 받습니다.
이 약은 심각한 부작용이 있을 수 있고 모든 환자에게 효과가 있는 것은 아니므로 효과가 있는지 여부를 쉽게 모니터링할 수 있는 방법이 있으면 도움이 될 것이라고 Strano는 말합니다.
"우리는 종양 자체 근처에 이식할 수 있는 작은 센서를 만드는 기술을 연구하고 있습니다. 이를 통해 얼마나 많은 약물이 종양에 도달하고 그것이 대사되는지 여부를 표시할 수 있습니다. 종양 근처에 센서를 배치하고 다음에서 확인할 수 있습니다. 실제 종양 환경에서 체외에서 약물의 효능"이라고 그는 말합니다.
테모졸로마이드가 체내에 들어가면 AIC로 알려진 것을 포함하여 더 작은 화합물로 분해됩니다. MIT 팀은 AIC를 감지할 수 있는 센서를 설계했으며 동물의 뇌에 5.5cm 깊이까지 이식할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 동물의 두개골을 통해서도 센서의 신호를 읽을 수 있었습니다.
이러한 센서는 또한 반응 산소 종과 같은 종양 세포 사멸의 분자 신호를 감지하도록 설계될 수 있습니다.
"모든 파장"
TMZ 활동을 감지하는 것 외에도 연구원들은 Strano의 연구실이 과산화수소, 리보플라빈 및 아스코르브산을 감지하기 위해 이전에 개발한 탄소 나노튜브 기반 센서를 포함하여 다양한 다른 센서의 신호를 향상시키기 위해 WIFF를 사용할 수 있음을 시연했습니다.
"이 기술은 모든 파장에서 작동하며 모든 형광 센서에 사용할 수 있습니다."라고 Strano는 말합니다. "이제 훨씬 더 많은 신호가 있기 때문에 이전에는 불가능했던 조직의 깊이에 센서를 이식할 수 있습니다."
이 연구를 위해 연구원들은 3개의 레이저를 함께 사용하여 진동 레이저 빔을 생성했지만 향후 작업에서는 가변 레이저를 사용하여 신호를 생성하고 기술을 더욱 개선하기를 희망합니다. 튜너블 레이저의 가격이 낮아지고 속도가 빨라짐에 따라 이것은 더욱 실현 가능해질 것이라고 연구진은 말했다.
인간 환자에서 형광 센서를 더 쉽게 사용할 수 있도록 하기 위해 연구원들은 생물학적으로 재흡수될 수 있어 수술로 제거할 필요가 없는 센서를 연구하고 있습니다.