Stikstofmonoxide (NO) is een van de belangrijkste signaalmoleculen in levende cellen, het dragen van berichten in de hersenen en het coördineren van de functies van het immuunsysteem. In veel kankercellen niveaus zijn verstoord, maar er is heel weinig bekend over hoe NO zich gedraagt ​​in zowel gezonde als kankercellen.

"Stikstofmonoxide heeft tegenstrijdige rollen in de progressie van kanker, en we hebben nieuwe instrumenten nodig om het beter te begrijpen, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT. "Ons werk biedt een nieuw hulpmiddel voor het meten van dit belangrijke molecuul, en mogelijk anderen, in het lichaam zelf en in realtime."

Onder leiding van postdoc Nicole Iverson, Het laboratorium van Strano heeft een sensor gebouwd die NO in levende dieren gedurende meer dan een jaar kan monitoren. De sensoren, beschreven in het nummer van 3 november van Natuur Nanotechnologie , kan onder de huid worden geïmplanteerd en worden gebruikt om ontstekingen te controleren - een proces dat NO produceert. Dit is de eerste demonstratie dat nanosensoren gedurende deze lange periode in het lichaam kunnen worden gebruikt.

Dergelijke sensoren, gemaakt van koolstofnanobuisjes, kan ook worden aangepast om andere moleculen te detecteren, inclusief glucose. Het team van Strano werkt nu aan sensoren die onder de huid van diabetespatiënten kunnen worden geïmplanteerd om hun glucose- of insulinespiegels te controleren. waardoor het niet meer nodig is om bloedmonsters te nemen.

Sensoren voor korte en lange termijn

Koolstof nanobuisjes - hol, cilinders van één nanometer dik gemaakt van pure koolstof hebben grote belangstelling getrokken als sensoren. Strano's lab heeft onlangs koolstof nanobuissensoren ontwikkeld voor een verscheidenheid aan moleculen, waaronder waterstofperoxide en giftige stoffen zoals het zenuwgas sarin. Dergelijke sensoren maken gebruik van de natuurlijke fluorescentie van koolstofnanobuisjes, door ze te koppelen aan een molecuul dat bindt aan een specifiek doelwit. Wanneer het doel is gebonden, de fluorescentie van de buizen wordt helderder of zwakker.

Het laboratorium van Strano heeft eerder aangetoond dat koolstofnanobuisjes NO kunnen detecteren als de buisjes in DNA met een bepaalde volgorde zijn gewikkeld. In de nieuwe krant de onderzoekers hebben de nanobuisjes aangepast om twee verschillende soorten sensoren te maken:een die in de bloedbaan kan worden geïnjecteerd voor monitoring op korte termijn, en een andere die is ingebed in een gel zodat deze langdurig onder de huid kan worden geïmplanteerd.

Om de deeltjes injecteerbaar te maken, Iverson bevestigde PEG, een biocompatibel polymeer dat het samenklonteren van deeltjes in de bloedbaan remt. Ze ontdekte dat wanneer ze in muizen werd geïnjecteerd, de deeltjes kunnen zonder schade door de longen en het hart stromen. De meeste deeltjes hopen zich op in de lever, waar ze kunnen worden gebruikt om NO geassocieerd met ontsteking te controleren.

"Tot nu toe hebben we alleen naar de lever gekeken, maar we zien wel dat het in de bloedbaan blijft en naar de nieren gaat. Mogelijk kunnen we alle verschillende delen van het lichaam bestuderen met dit injecteerbare nanodeeltje, ' zegt Iverson.

De sensor voor de langere termijn bestaat uit nanobuisjes die zijn ingebed in een gel gemaakt van alginaat, een polymeer dat voorkomt in algen. Zodra deze gel onder de huid van de muizen is geïmplanteerd, het blijft op zijn plaats en blijft 400 dagen functioneel; de onderzoekers denken dat het nog langer kan duren. Dit soort sensor zou kunnen worden gebruikt om kanker of andere ontstekingsziekten te controleren, of om immuunreacties op te sporen bij patiënten met kunstheupen of andere geïmplanteerde apparaten, volgens de onderzoekers.

Zodra de sensoren in het lichaam zijn, de onderzoekers schijnen er een nabij-infrarood laser op, het produceren van een nabij-infrarood fluorescerend signaal dat kan worden gelezen met behulp van een instrument dat het verschil kan zien tussen nanobuisjes en andere achtergrondfluorescentie.

Glucose controleren

Iverson werkt nu aan het aanpassen van de technologie om glucose te detecteren, door verschillende soorten moleculen om de nanobuisjes te wikkelen.

De meeste diabetespatiënten moeten meerdere keren per dag in hun vingers prikken om bloedglucosemetingen te doen. Hoewel er elektrochemische glucosesensoren beschikbaar zijn die op de huid kunnen worden bevestigd, die sensoren gaan hooguit een week mee, en er is een risico op infectie omdat de elektrode de huid doorboort.

Verder, Strano zegt, de elektrochemische sensortechnologie is niet nauwkeurig genoeg om te worden opgenomen in het soort closed-loop monitoringsysteem waar wetenschappers nu naar toe werken. Dit type systeem zou bestaan ​​uit een sensor die realtime glucosemonitoring biedt, aangesloten op een insulinepomp die insuline zou toedienen wanneer dat nodig is, zonder dat vingerprikken of insuline-injectie door de patiënt nodig zijn.

"De huidige gedachte is dat elk onderdeel van het gesloten-lussysteem aanwezig is, behalve een nauwkeurige en stabiele sensor. Er is een aanzienlijke kans om de apparaten die nu op de markt zijn te verbeteren, zodat een compleet systeem kan worden gerealiseerd, ' zegt Strano.