El oxígeno es esencial para la vida humana, pero dentro del cuerpo, ciertas condiciones ambientales biológicas pueden transformar el oxígeno en moléculas agresivamente reactivas llamadas especies reactivas de oxígeno (ROS), que puede dañar el ADN, ARN, y proteínas. Normalmente, el cuerpo depende de moléculas llamadas antioxidantes para convertir ROS en especies químicas menos peligrosas a través de un proceso llamado reducción. Pero estilos de vida poco saludables, varias enfermedades, estrés, y el envejecimiento pueden contribuir a un desequilibrio entre la producción de ROS y la capacidad del cuerpo para reducirlos y eliminarlos. Los niveles excesivos de ROS resultantes provocan estrés oxidativo, que puede alterar las funciones celulares normales y aumentar el riesgo de enfermedades como el cáncer, neurodegeneración, disfunción renal, y otros, que van acompañadas de una inflamación severa.

Dado que el estrés oxidativo está asociado con diversas enfermedades graves, su detección dentro de los órganos vivos ofrece una ruta para el diagnóstico temprano y el tratamiento preventivo, y es, por lo tanto, un asunto de considerable interés para los científicos que trabajan en el campo de la biomedicina. Colaboración internacional reciente entre los Institutos Nacionales Japoneses de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica (QST), Academia de Ciencias de Bulgaria, y la Universidad de Sofía St. Kliment Ohridski en Bulgaria llevaron a una tecnología prometedora para este propósito:un sensor cuántico novedoso. Su trabajo se publica en la revista científica Química analítica , 2021.

Según la científica principal, la Dra. Rumiana Bakalova, y su colega, la Dra. Ichio Aoki de QST, "el nuevo sensor es apropiado para el diagnóstico precoz de patologías acompañadas de inflamación, como enfermedades infecciosas, cáncer, neurodegeneración, aterosclerosis, diabetes, y disfunción renal ".

El sensor comprende un núcleo de punto cuántico (semiconductor) recubierto con un compuesto similar al azúcar en forma de anillo llamado α-ciclodextrina, que a su vez está unido a seis grupos químicos sensibles a redox llamados derivados de nitróxido. Estos componentes tienen la ventaja de perfiles de seguridad favorables, siendo las ciclodextrinas aprobadas para su uso en alimentos y los derivados del nitróxido generalmente considerados inofensivos para los seres vivos debido a sus propiedades antioxidantes.

Los derivados de nitróxido hacen que el sensor emita señales de fluorescencia ON cuando esté en un estado reducido y dé señales magnéticas ON cuando esté en un estado oxidado. Esto permite la detección de estrés oxidativo, o una capacidad celular / tisular reducida, utilizando métodos como la resonancia magnética (MRI) y la imagen paramagnética de electrones (EPR), que puede detectar señales magnéticas. El sensor químico también está unido a un compuesto llamado trifenilfosfonio, que ayuda al sensor a entrar en las células vivas y proceder a las mitocondrias, que son los componentes celulares responsables con mayor frecuencia de generar ROS, particularmente en condiciones patológicas.

Para probar su novedoso sensor químico, Los científicos primero realizaron experimentos con cultivos de células de colon normales (sanas) y cancerosas en el laboratorio. Para ello utilizaron su sensor en forma oxidada. En células sanas, Las señales de EPR se apagaron; pero en las células cancerosas, se mantuvieron fuertes. Esto indica que los sensores se redujeron en las células sanas por los antioxidantes, pero permanecieron en su estado oxidado en las células cancerosas. lo que a su vez sugiere que las células cancerosas tenían una mayor capacidad oxidativa.

Para probar más el sensor, los investigadores realizaron experimentos tanto con ratones sanos como con aquellos que habían sido criados con una dieta alta en colesterol durante 2 meses, lo que les hizo desarrollar una disfunción renal en etapa temprana debido a una inflamación persistente. En comparación con los ratones sanos, los ratones con disfunción renal exhibieron señales de resonancia magnética más fuertes en sus riñones, sugiriendo que sus riñones estaban bajo mayor estrés oxidativo.

Este trabajo se encuentra en sus etapas iniciales y se requiere mucha investigación antes de que estos sensores puedan estar listos para uso médico. Pero estos hallazgos revelan el potencial de dicha tecnología. El Dr. Bakalova señala:"Nuestro sensor es adecuado para analizar incluso pequeños desequilibrios redox asociados con la sobreproducción de ROS, mediante resonancia magnética. Y aunque la resonancia magnética y la tomografía computarizada por sí solas han podido diagnosticar el daño renal en etapa avanzada, todavía no han podido visualizar las primeras etapas de la disfunción. El uso de nuestra sonda podría ayudar a los médicos a identificar a los pacientes en la etapa inicial de daño renal antes de que necesiten hemodiálisis o trasplante de riñón. Con más investigación, nuestro sensor podría ser la próxima generación de sondas de contraste sensibles a redox para el diagnóstico temprano de disfunción renal, y quizá, una serie de otras enfermedades que van acompañadas de inflamación ".