蛍光シグナルがどのように脳内により深いセンサーの埋め込みを可能にするのか

2022 年 6 月 3 日 ダニエル・カーシュ著

[画像提供：マサチューセッツ工科大学]

蛍光センサーは通常、さまざまな分子を標識して画像化し、生きた細胞の内部を独特に観察するために使用されます。 しかし、センサーが体内に深く埋め込まれすぎるとセンサーからの信号が失われるため、この方法は実験皿内または体表面に近い組織内で増殖した細胞に限定されていた。

ニュースリリースによると、MITエンジニアのフォトニック技術チームは蛍光シグナルを「劇的に改善」したという。 研究者らは、センサーを組織内に 5.5 cm の深さに埋め込んでも、強力な信号を提供できることを示しました。 信号伝達の改善により、蛍光センサーが脳や体内深部の他の組織内の特定の分子を追跡して、医療診断や薬の効果を監視できるようになる可能性がある。

「細胞培養または薄い組織層の生化学情報をプローブできる蛍光センサーがある場合、この技術を使用すると、それらの蛍光色素とプローブをすべて厚い組織に翻訳することができます」と研究の筆頭著者であるVolodymyr Koman氏は述べています。

従来、科学者は量子ドット、カーボンナノチューブ、蛍光タンパク質などのさまざまな種類の蛍光センサーを使用して、細胞内の分子を標識してきました。 センサーにレーザー光を当てると、センサーの蛍光を見ることができます。 ただし、組織は自家蛍光と呼ばれる蛍光を発し、インプラント信号が弱くなるため、この方法は厚く高密度の組織や組織の深部では機能しません。

「すべての組織は自家蛍光を発するため、これが制限要因になります」とコーマン氏は言う。 「センサーからの信号がどんどん弱くなるにつれて、組織の自己蛍光に追い越されてしまいます。」

MITの研究者らは、センサーが発する蛍光の周波数を変調して、組織の自己蛍光とより簡単に区別できるようにした。 波長誘起周波数フィルタリング (WIFF) と呼ばれるこの方法では、3 つのレーザーを使用して発振波長のレーザー ビームを作成します。

研究者らによると、振動ビームがセンサーに照射されると、センサーから発せられる蛍光の周波数が2倍になるという。 バックグラウンドの自己蛍光からシグナルを簡単に取り出すことができます。 研究者らは、センサーの信号対雑音比を 50 倍以上強化したと報告しました。

研究者らは、この方法が化学療法薬の有効性を監視するために使用できる可能性があると示唆している。 その有用性を実証するために、研究チームは膠芽腫に焦点を当てました。 この悪性度の高い脳腫瘍の患者は、通常、手術を受けて腫瘍を可能な限り切除し、その後、残っている癌細胞を除去するために化学療法を受けます。

「私たちは、腫瘍自体の近くに埋め込むことができる小型センサーを製造する技術に取り組んでいます。これにより、どれだけの薬剤が腫瘍に到達しているか、また代謝されているかどうかを知ることができます。 腫瘍の近くにセンサーを設置すれば、実際の腫瘍環境における薬の有効性を体外から検証することができます」と、この研究の主著者であり、MITのカーボン・P・ダブス化学工学教授であるマイケル・ストラノ氏は述べた。

抗がん剤テモゾロミドが体内に入ると、より小さな化合物に分解されるため、MIT チームは AIC として知られる化合物を検出するセンサーを設計しました。 彼らは、インプラントを動物の脳内に5.5cmの深さまで埋め込むことができ、動物の頭蓋骨を通してでもセンサーからの信号を読み取ることができることを発見した。

研究者らは、このセンサーは腫瘍細胞死の分子的特徴を検出するためにも使用できる可能性があると示唆している。 WIFF メソッドは、過酸化水素、リボフラビン、アスコルビン酸を検出するカーボン ナノチューブ ベースのセンサーなど、他のタイプのセンサーからの信号を強化するために使用できます。

「この技術はあらゆる波長で機能し、あらゆる蛍光センサーに使用できます」とストラノ氏は言う。 「今では非常に多くの信号が得られるため、以前は不可能だった組織の深さにセンサーを埋め込むことができます。」