Zuurstof is essentieel voor het menselijk leven, maar in het lichaam, bepaalde biologische omgevingsomstandigheden kunnen zuurstof omzetten in agressief reactieve moleculen die reactieve zuurstofspecies (ROS) worden genoemd, die DNA kunnen beschadigen, RNA, en eiwitten. Normaal gesproken, het lichaam vertrouwt op moleculen die antioxidanten worden genoemd om ROS om te zetten in minder gevaarlijke chemische soorten via een proces dat reductie wordt genoemd. Maar een ongezonde levensstijl, verschillende ziekten, spanning, en veroudering kunnen allemaal bijdragen aan een disbalans tussen de productie van ROS en het vermogen van het lichaam om ze te verminderen en te elimineren. De resulterende overmatige niveaus van ROS veroorzaken oxidatieve stress, die de normale cellulaire functies kunnen verstoren en het risico op ziekten zoals kanker kunnen verhogen, neurodegeneratie, nierfunctiestoornis, en anderen, die allemaal gepaard gaan met ernstige ontstekingen.

Aangezien oxidatieve stress wordt geassocieerd met verschillende ernstige ziekten, de detectie ervan in levende organen biedt een weg naar vroege diagnose en preventieve behandeling, en is, dus, een zaak van groot belang voor wetenschappers die werkzaam zijn op het gebied van de biogeneeskunde. Recente internationale samenwerking tussen de Japanse National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST), Bulgaarse Academie van Wetenschappen, en Sofia University St. Kliment Ohridski in Bulgarije leidden tot een veelbelovende technologie voor dit doel:een nieuwe kwantumsensor. Hun werk is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Analytische scheikunde , 2021.

Volgens hoofdwetenschapper Dr. Rumiana Bakalova en haar collega Dr. Ichio Aoki van QST, "de nieuwe sensor is geschikt voor de vroege diagnose van pathologieën die gepaard gaan met ontsteking, zoals infectieziekten, kanker, neurodegeneratie, atherosclerose, suikerziekte, en nierfunctiestoornissen."

De sensor bestaat uit een quantum dot-halfgeleider-kern die is gecoat met een ringvormige suikerachtige verbinding genaamd α-cyclodextrine, die op zijn beurt is gebonden aan zes redox-gevoelige chemische groepen die nitroxidederivaten worden genoemd. Deze componenten hebben het voordeel van gunstige veiligheidsprofielen, waarbij cyclodextrines zijn goedgekeurd voor gebruik in voedsel en nitroxidederivaten die over het algemeen als onschadelijk worden beschouwd voor levende wezens vanwege hun antioxiderende eigenschappen.

De nitroxidederivaten zorgen ervoor dat de sensor ON-fluorescentiesignalen geeft in een gereduceerde toestand en ON magnetische signalen geeft in een geoxideerde toestand. Dit maakt de detectie van oxidatieve stress mogelijk, of een verminderde cel/weefselcapaciteit, met behulp van methoden zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en elektronen paramagnetische beeldvorming (EPR), die magnetische signalen kan detecteren. De chemische sensor is ook gebonden aan een verbinding genaamd trifenylfosfonium, die de sensor helpt om levende cellen binnen te gaan en door te gaan naar de mitochondriën, welke de cellulaire componenten zijn die het vaakst verantwoordelijk zijn voor het genereren van ROS, vooral onder pathologische omstandigheden.

Om hun nieuwe chemische sensor te testen, de wetenschappers voerden eerst experimenten uit met culturen van normale (gezonde) en kankerachtige coloncellen in het laboratorium. Hiervoor gebruikten ze hun sensor in geoxideerde vorm. In gezonde cellen EPR-signalen werden gedoofd; maar in kankercellen, ze bleven sterk. Dit geeft aan dat de sensoren in gezonde cellen werden verminderd door antioxidanten, maar in hun geoxideerde toestand in de kankercellen bleven, wat op zijn beurt suggereert dat de kankercellen een hogere oxidatieve capaciteit hadden.

Om de sensor verder te testen, de onderzoekers experimenteerden met zowel gezonde muizen als met muizen die 2 maanden lang waren grootgebracht met een cholesterolrijk dieet, waardoor ze een nierfunctiestoornis in een vroeg stadium ontwikkelden als gevolg van aanhoudende ontsteking. Vergeleken met de gezonde muizen, de muizen met nierfunctiestoornissen vertoonden sterkere MRI-signalen in hun nieren, wat suggereert dat hun nieren onder grotere oxidatieve stress stonden.

Dit werk bevindt zich in de beginfase en er is veel onderzoek nodig voordat deze sensoren klaar kunnen zijn voor medisch gebruik. Maar deze bevindingen onthullen het potentieel van dergelijke technologie. Dr. Bakalova merkt op:"Onze sensor is geschikt voor het analyseren van zelfs kleine redox-onevenwichtigheden die verband houden met de overproductie van ROS, via MRI. En hoewel MRI en CT op zichzelf in staat waren om nierschade in een vergevorderd stadium te diagnosticeren, ze hebben de vroege stadia van disfunctie nog niet kunnen visualiseren. Het gebruik van onze sonde kan clinici helpen bij het identificeren van patiënten in een vroeg stadium van nierschade voordat ze hemodialyse of niertransplantatie nodig hebben. Met verder onderzoek, onze sensor zou de volgende generatie van redox-gevoelige contrastsondes kunnen zijn voor vroege diagnose van nierdisfunctie, en misschien, een aantal andere ziekten die gepaard gaan met ontstekingen."