Los sensores fluorescentes, que se pueden usar para etiquetar y obtener imágenes de una amplia variedad de moléculas, ofrecen una visión única del interior de las células vivas. Sin embargo, por lo general solo se pueden usar en células cultivadas en una placa de laboratorio o en tejidos cerca de la superficie del cuerpo, porque su señal se pierde cuando se implantan demasiado profundamente.

Los ingenieros del MIT ahora han ideado una forma de superar esa limitación. Usando una nueva técnica fotónica que desarrollaron para excitar cualquier sensor fluorescente, pudieron mejorar drásticamente la señal fluorescente. Con este enfoque, los investigadores demostraron que podían implantar sensores a una profundidad de hasta 5,5 centímetros en el tejido y aun así obtener una señal fuerte.

Este tipo de tecnología podría permitir el uso de sensores fluorescentes para rastrear moléculas específicas dentro del cerebro u otros tejidos profundos del cuerpo, para diagnósticos médicos o monitorear los efectos de las drogas, dicen los investigadores.

"Si tiene un sensor fluorescente que puede sondear información bioquímica en cultivos celulares o en capas delgadas de tejido, esta tecnología le permite traducir todos esos tintes y sondas fluorescentes en tejido grueso", dice Volodymyr Koman, científico investigador del MIT y uno de los de los autores principales del nuevo estudio.

Naveed Bakh SM '15, Ph.D. '20 también es autor principal del artículo, que aparece hoy en Nature Nanotechnology . Michael Strano, profesor de ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT, es el autor principal del estudio.

Fluorescencia mejorada

Los científicos usan muchos tipos diferentes de sensores fluorescentes, incluidos puntos cuánticos, nanotubos de carbono y proteínas fluorescentes, para etiquetar moléculas dentro de las células. La fluorescencia de estos sensores se puede ver al iluminarlos con luz láser. Sin embargo, esto no funciona en tejido grueso y denso, o en lo profundo del tejido, porque el propio tejido también emite algo de luz fluorescente. Esta luz, llamada autofluorescencia, ahoga la señal que proviene del sensor.

"Todos los tejidos presentan autofluorescencia, y esto se convierte en un factor limitante", dice Koman. "A medida que la señal del sensor se vuelve más y más débil, la autofluorescencia del tejido la supera".

Para superar esta limitación, el equipo del MIT ideó una forma de modular la frecuencia de la luz fluorescente emitida por el sensor para que pueda distinguirse más fácilmente de la autofluorescencia del tejido. Su técnica, a la que llaman filtrado de frecuencia inducida por longitud de onda (WIFF), utiliza tres láseres para crear un rayo láser con una longitud de onda oscilante.

Cuando este rayo oscilante brilla sobre el sensor, hace que la fluorescencia emitida por el sensor duplique su frecuencia. Esto permite que la señal fluorescente se distinga fácilmente de la autofluorescencia de fondo. Con este sistema, los investigadores pudieron mejorar la relación señal-ruido de los sensores en más de 50 veces.

Una posible aplicación de este tipo de detección es monitorear la efectividad de los medicamentos de quimioterapia. Para demostrar este potencial, los investigadores se centraron en el glioblastoma, un tipo agresivo de cáncer cerebral. Los pacientes con este tipo de cáncer generalmente se someten a cirugía para extirpar la mayor cantidad posible de tumor y luego reciben el medicamento de quimioterapia temozolomida (TMZ) para tratar de eliminar las células cancerosas restantes.

Este medicamento puede tener efectos secundarios graves y no funciona para todos los pacientes, por lo que sería útil tener una forma de monitorear fácilmente si funciona o no, dice Strano.

"Estamos trabajando en tecnología para fabricar pequeños sensores que podrían implantarse cerca del tumor mismo, lo que puede dar una indicación de la cantidad de fármaco que llega al tumor y si se metaboliza. Se podría colocar un sensor cerca del tumor y verificar desde fuera del cuerpo la eficacia del fármaco en el entorno tumoral real", dice.

Cuando la temozolomida ingresa al cuerpo, se descompone en compuestos más pequeños, incluido uno conocido como AIC. El equipo del MIT diseñó un sensor que podía detectar AIC y demostró que podían implantarlo a una profundidad de hasta 5,5 centímetros dentro del cerebro de un animal. Pudieron leer la señal del sensor incluso a través del cráneo del animal.

Dichos sensores también podrían diseñarse para detectar firmas moleculares de muerte de células tumorales, como especies de oxígeno de reacción.

"Cualquier longitud de onda"

Además de detectar la actividad de TMZ, los investigadores demostraron que podían usar WIFF para mejorar la señal de una variedad de otros sensores, incluidos los sensores basados ​​en nanotubos de carbono que el laboratorio de Strano desarrolló previamente para detectar peróxido de hidrógeno, riboflavina y ácido ascórbico.

"La técnica funciona en cualquier longitud de onda y puede usarse para cualquier sensor fluorescente", dice Strano. "Debido a que ahora tiene mucha más señal, puede implantar un sensor a profundidades en el tejido que antes no eran posibles".

Para este estudio, los investigadores usaron tres láseres juntos para crear el rayo láser oscilante, pero en el trabajo futuro esperan usar un láser sintonizable para crear la señal y mejorar aún más la técnica. Esto debería volverse más factible a medida que el precio de los láseres sintonizables disminuye y se vuelven más rápidos, dicen los investigadores.

Para ayudar a que los sensores fluorescentes sean más fáciles de usar en pacientes humanos, los investigadores están trabajando en sensores que sean biológicamente reabsorbibles, por lo que no sería necesario extraerlos quirúrgicamente. + Explora más

La sonda fluorescente portátil identifica el aceite de cocina malo