Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology en de National Institutes of Health hebben een nieuwe, vormveranderende sonde, ongeveer een honderdste zo breed als een mensenhaar, die gevoelig is, biologische teledetectie met hoge resolutie die met de huidige technologie niet mogelijk is. Als het uiteindelijk wijdverbreid wordt gebruikt, het ontwerp kan een grote impact hebben op het onderzoek in de geneeskunde, scheikunde, biologie en techniek. uiteindelijk, het kan worden gebruikt in klinische diagnostiek.

Daten, de meeste pogingen om sterk gelokaliseerde biochemische omstandigheden in beeld te brengen, zoals abnormale pH* en ionenconcentratie - kritische markers voor veel aandoeningen - zijn gebaseerd op verschillende nanosensoren die worden onderzocht met behulp van licht op optische frequenties. Maar de gevoeligheid en resolutie van de resulterende optische signalen nemen snel af met toenemende diepte in het lichaam. Dat heeft de meeste toepassingen beperkt tot minder verduisterde, meer optisch toegankelijke gebieden.

De nieuwe shape-shifting sondes, online beschreven in het tijdschrift Natuur , ** vallen niet onder deze beperkingen. Ze maken het mogelijk om gelokaliseerde omstandigheden op moleculaire schaal diep in weefsels te detecteren en te meten, en om te zien hoe ze in realtime veranderen.

"Ons ontwerp is gebaseerd op totaal verschillende werkingsprincipes, " zegt Gary Zabow van NIST, die het onderzoek leidde met NIH-collega's Stephen Dodd en Alan Koretsky. "In plaats van optisch gebaseerde detectie, de van vorm veranderende sondes zijn ontworpen om te werken in het radiofrequentiespectrum (RF), specifiek om detecteerbaar te zijn met standaard nucleaire magnetische resonantie (NMR) of magnetische resonantie beeldvorming (MRI) apparatuur. In deze RF-bereiken, signalen zijn, bijvoorbeeld, niet merkbaar verzwakt door tussenliggende biologische materialen."

Als resultaat, ze kunnen sterk worden, onderscheidende signalen van zeer kleine afmetingen op aanzienlijke diepten of op andere locaties die onmogelijk te meten zijn met optisch gebaseerde sensoren.

De nieuwe apparaten, geometrisch gecodeerde magnetische sensoren (GEM's) genoemd, zijn micro-engineered metaalgelsandwiches die ongeveer 5 tot 10 keer kleiner zijn dan een enkele rode bloedcel, een van de kleinste menselijke cellen. Elk bestaat uit twee afzonderlijke magnetische schijven die variëren van 0,5 tot 2 micrometer (miljoensten van een meter) in diameter en slechts tientallen nanometers (miljardsten van een meter) dik zijn.

Tussen de schijven bevindt zich een afstandslaag van hydrogel, een polymeernetwerk dat water kan opnemen en aanzienlijk kan uitzetten; de mate van expansie hangt af van de chemische eigenschappen van de gel en de omgeving eromheen. Omgekeerd, het kan ook krimpen als reactie op veranderende lokale omstandigheden. Zwelling of krimp van de gel verandert de afstand (en dus de magnetische veldsterkte) tussen de twee schijven, en dat, beurtelings, verandert de frequentie waarmee de protonen in watermoleculen rond en in de gel resoneren als reactie op radiofrequente straling. Scannen van het monster met een reeks frequenties identificeert snel de huidige vorm van de nanosondes, het effectief meten van de afgelegen omstandigheden door de veranderingen in resonantiefrequenties veroorzaakt door de vormveranderende middelen.

In de experimenten gerapporteerd in Natuur , de wetenschappers testten de sensoren in oplossingen met variërende pH, in oplossingen met ionenconcentratiegradiënten, en in een vloeibaar groeimedium dat levende hondenniercellen bevat, aangezien hun metabolisme in afwezigheid van zuurstof van normaal naar niet-functioneel ging. Dat fenomeen zorgde ervoor dat het groeimedium verzuurde, en de verandering in de tijd werd waargenomen door de GEM's en opgenomen door realtime verschuiving in resonantiefrequenties. Zelfs voor de niet-geoptimaliseerde, gebruikte sondes van de eerste generatie, de frequentieverschuivingen als gevolg van veranderingen in pH waren gemakkelijk oplosbaar en orden van grootte groter dan enige equivalente frequentieverschuiving die werd waargenomen door traditionele magnetische resonantiespectroscopiebenaderingen.

Het kan moeilijk zijn om sterk gelokaliseerde pH-waarden in levende organismen te volgen. (Een bloedtest kan dit niet per se doen omdat het monster bloed van verschillende locaties vermengt.) Toch kunnen lokale pH-veranderingen onschatbare vroege signalen van veel pathologieën opleveren. Bijvoorbeeld, de pH rond een kankercel is iets lager dan normaal, en interne ontsteking leidt in het algemeen tot lokale verandering in pH-waarde. Het detecteren van dergelijke veranderingen kan onthullen, bijvoorbeeld, de aanwezigheid van een onzichtbare tumor of laten zien of er een infectie is ontstaan ​​rond een chirurgisch implantaat.

"Natuurlijk, dat soort potentieel gebruik in levende organismen is nog ver weg, " Zei Zabow. "Onze gegevens zijn in vitro genomen. En sommige potentiële toepassingen van de sensoren zijn misschien helemaal niet biologisch. Maar een langetermijndoel is om onze technieken te verbeteren tot het punt waarop GEM's kunnen worden gebruikt voor biomedische toepassingen."

Dat zou vereisen, onder andere, verdere miniaturisering. De GEM's met een diameter van 0,5 tot 2 µm in de experimenten zijn al klein genoeg voor veel in vitro en andere mogelijke niet-biologische toepassingen, evenals mogelijk voor sommige in vivo cellulaire gerelateerde toepassingen. Maar voorlopige schattingen van de onderzoekers geven aan dat de sensoren aanzienlijk kunnen worden verkleind ten opzichte van hun huidige grootte, en kan mogelijk kleiner worden gemaakt dan 100 nanometer in diameter. Dat zou veel extra biomedische toepassingen mogelijk maken.

Een van de belangrijkste kenmerken van GEM's is dat ze kunnen worden "afgestemd" in fabricage om te reageren op verschillende biochemische toestanden en om te resoneren in verschillende delen van het RF-spectrum door de gelsamenstelling en de magneetvormen en materialen te veranderen, respectievelijk. Dus door twee verschillende populaties GEM's op dezelfde locatie te plaatsen, kunnen veranderingen in twee verschillende variabelen tegelijkertijd worden gevolgd - een vermogen dat de onderzoekers hebben aangetoond door GEM's met twee verschillende dimensies op dezelfde locatie te plaatsen en de signalen van beide tegelijkertijd te detecteren.

"Het idee is dat je verschillende sensoren kunt ontwerpen om verschillende dingen te meten, effectief gelijktijdig meten van een panel van potentiële biomarkers, in plaats van slechts één, beter onderscheid te maken tussen verschillende pathologieën, " Zegt Zabow. "We denken dat deze sensoren mogelijk kunnen worden aangepast om een ​​verscheidenheid aan verschillende biomarkers te meten, mogelijk inclusief zaken als glucose, lokale temperaturen, verschillende ionenconcentraties, mogelijk de aan- of afwezigheid van verschillende enzymen enzovoort."

Ron Goldfarb, leider van NIST's Magnetics Group, merkt op dat, "het werk aan geometrisch gecodeerde magnetische sensoren door Gary Zabow en collega's is een natuurlijke uitbreiding van onderzoek gepubliceerd door het team, samen met NIST's John Moreland, in 2008. Dat werk toonde aan hoe micromagneten kunnen fungeren als 'smart tags' om mogelijk bepaalde cellen te identificeren, weefsels of fysiologische omstandigheden. functioneel, de GEMS in de huidige poging zijn geavanceerder omdat ze hun vorm veranderen als reactie op stimuli; dus, ze fungeren als meetinstrumenten. De volgende uitdaging is ontwerpoptimalisatie en de ontwikkeling van dimensionaal gestuurde, grootschalige fabricageprocessen om deze sensoren breed beschikbaar te maken voor onderzoekers."