يعمل مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تعزيز الإشارات من مستشعرات الفلورسنت
يسمح التقدم الهندسي بوضع الجسيمات في عمق الأنسجة البيولوجية، مما قد يساعد في تشخيص السرطان أو مراقبته.
توفر المستشعرات الفلورية، التي يمكن استخدامها لتسمية وتصوير مجموعة متنوعة من الجزيئات، لمحة فريدة داخل الخلايا الحية.
ومع ذلك، لا يمكن استخدامها عادةً إلا في الخلايا المزروعة في طبق معمل أو في الأنسجة القريبة من سطح الجسم، حيث يتم فقد إشاراتها عندما يتم زرعها بعمق شديد.
لقد ابتكر مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن حلاً للتغلب على هذا القيد. باستخدام تقنية فوتونية جديدة اخترعوها لإثارة أي مستشعر فلورسنت، تمكنوا من تحسين إشارة الفلورسنت بشكل كبير.
مع هذا النهج، أظهر العلماء أنهم يستطيعون زرع أجهزة استشعار بعمق 5.5 سم (2.2 بوصة) في الأنسجة ولا يزال بإمكانهم الحصول على إشارة قوية.
وفقًا للباحثين، قد يسمح هذا النوع من التكنولوجيا باستخدام مستشعرات الفلورسنت لتتبع جزيئات معينة داخل الدماغ أو أنسجة أخرى في أعماق الجسم، للتشخيص الطبي أو مراقبة تأثيرات الأدوية.
يقول فولوديمير كومان، عالم أبحاث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وواحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة الجديدة.
Naveed Bakh SM ’15، PhD ’20 هو أيضًا المؤلف الرئيسي للورقة، التي نُشرت في 30 مايو 2022، في Nature Nanotechnology .
مايكل سترانو ، أستاذ الهندسة الكيميائية في معهد كربون بي دوبس في معهد ماساتشوستس للللتكنولوجيا،و المؤلف الرئيسي للدراسة.
مضان محسن
يستخدم العلماء أنواعًا مختلفة من أجهزة الاستشعار الفلورية، بما في ذلك النقاط الكمومية، وأنابيب الكربون النانوية، والبروتينات الفلورية، لتسمية الجزيئات داخل الخلايا.
يمكن رؤية تألق هذه المستشعرات من خلال تسليط ضوء الليزر عليها.
ومع ذلك، لا يعمل هذا في الأنسجة السميكة الكثيفة أو في أعماق الأنسجة، لأن الأنسجة نفسها تصدر أيضًا بعض ضوء الفلورسنت. هذا الضوء، المسمى بالفلورة الذاتية، يحجب الإشارة القادمة من المستشعر.
يقول كومان: “تتألق جميع الأنسجة ذاتيًا، وهذا يصبح عاملاً مقيدًا”. “عندما تصبح الإشارة الصادرة من المستشعر أضعف وأضعف، يتفوق عليها التألق الذاتي للنسيج.”
للتغلب على هذا القيد، توصل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى طريقة لتعديل تردد ضوء الفلورسنت المنبعث من المستشعر بحيث يمكن تمييزه بسهولة عن التألق الذاتي للنسيج.
تستخدم تقنيتهم ، التي يسمونها ترشيح التردد الناجم عن الطول الموجي (WIFF)، ثلاثة أنواع من الليزر لإنشاء شعاع ليزر بطول موجة متذبذب.
عندما يضيء هذا الشعاع المتذبذب على المستشعر، فإنه يتسبب في مضاعفة التردد المنبعث من المستشعر. هذا يسمح بسهولة انتقاء إشارة الفلورسنت من التألق الذاتي في الخلفية.
باستخدام هذا النظام، تمكن الباحثون من تحسين نسبة إشارة المستشعرات إلى الضوضاء بأكثر من 50 ضعفًا.
أحد التطبيقات الممكنة لهذا النوع من الاستشعار هو مراقبة فعالية أدوية العلاج الكيميائي. لإثبات هذه الإمكانية، ركز الباحثون على الورم الأرومي الدبقي ، وهو نوع عدواني من سرطان الدماغ.
عادة ما يخضع المرضى المصابون بهذا النوع من السرطان لعملية جراحية لإزالة أكبر قدر ممكن من الورم، ثم يتلقون بعد ذلك عقار العلاج الكيميائي temozolomide (TMZ) لمحاولة القضاء على أي خلايا سرطانية متبقية.
يقول سترانو إن هذا الدواء يمكن أن يكون له آثار جانبية خطيرة، ولا يعمل مع جميع المرضى، لذلك سيكون من المفيد أن يكون لديك طريقة لمراقبة ما إذا كان يعمل أم لا.
“نحن نعمل على التكنولوجيا لصنع مستشعرات صغيرة يمكن زرعها بالقرب من الورم نفسه، والتي يمكن أن تعطي مؤشرًا لمقدار الدواء الذي يصل إلى الورم وما إذا كان يتم استقلابه.
يمكنك وضع جهاز استشعار بالقرب من الورم والتحقق من فعالية الدواء من خارج الجسم في بيئة الورم الفعلية “، كما يقول.
عندما يدخل temozolomide الجسم، يتم تقسيمه إلى مركبات أصغر، بما في ذلك واحد يعرف باسم AIC.
صمم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مستشعرًا يمكنه اكتشاف AIC، وأظهر أنه يمكنهم زرعه بعمق يصل إلى 5.5 سم داخل دماغ حيوان. كانوا قادرين على قراءة الإشارة من جهاز الاستشعار حتى من خلال جمجمة الحيوان.
يمكن أيضًا تصميم أجهزة الاستشعار هذه للكشف عن التوقيعات الجزيئية لموت الخلايا السرطانية، مثل أنواع الأكسجين التفاعلية.
“أي طول موجي”
بالإضافة إلى اكتشاف نشاط TMZ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم استخدام WIFF لتعزيز الإشارة من مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار الأخرى، بما في ذلك المستشعرات القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية التي طورها مختبر Strano سابقًا للكشف عن بيروكسيد الهيدروجين والريبوفلافين وحمض الأسكوربيك .
يقول سترانو: “تعمل هذه التقنية بأي طول موجي، ويمكن استخدامها لأي مستشعر فلورسنت”. “نظرًا لأن لديك الكثير من الإشارات الآن، يمكنك زرع جهاز استشعار في أعماق الأنسجة لم يكن ممكنًا من قبل.”
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون ثلاثة أشعة ليزر معًا لإنشاء شعاع الليزر المتذبذب، لكن في العمل المستقبلي، يأملون في استخدام ليزر قابل للضبط لإنشاء الإشارة وتحسين التقنية بشكل أكبر. يقول الباحثون إن هذا يجب أن يصبح أكثر جدوى حيث ينخفض سعر الليزر القابل للضبط وتصبح أسرع.
للمساعدة في جعل أجهزة الاستشعار الفلورية أسهل في الاستخدام في المرضى من البشر، يعمل الباحثون على أجهزة استشعار قابلة للامتصاص بيولوجيًا، لذلك لن تحتاج إلى إزالتها جراحيًا.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
