Schimbarea formei senzorului magnetic codificat geometric poate determina starea țesuturilor profund plasate

Oamenii de știință care lucrează cu Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) si Institutul National de Sanatate (NIH), a dezvoltat si a demonstrat un nou, schimbarea formei senzorului, dimensiunea de aproximativ 1/100 din diametrul unui fir de păr uman, care permite obținerea de informații de mare sensibilitate din țesutul biologic, nu a fost posibil cu tehnologia actuală.

În cazul în care, în cele din urmă, să fie capabil să realizeze utilizarea sa pe scară largă, acest proiect ar putea avea un impact semnificativ asupra cercetarii in medicina, chimie, biologie si inginerie. Această tehnologie poate fi, de asemenea, utilizat în diagnostic clinic.

In prezent, cele mai multe încercări de a detecta schimbările biochimice locale, cum ar fi pH-ul anormal și concentrația ionilor, - indicatori importanți pentru multe boli, - bazate pe utilizarea diferitelor nanosensors care fac acest lucru cu lumină la frecvențe optice. Cu toate acestea, sensibilitatea și rezoluția semnalelor optice recepționate scăzut rapid cu creșterea adâncimii de plasare a țesutului a corpului. Aceasta a limitat majoritatea studiilor țesuturi mai transparente și optic accesibile.

Noua sondă modificări de formă, descrisă în revista Nature, nu este supusă acestor restricții. Aceasta face posibilă detectarea și măsurarea condițiilor locale la nivel molecular în țesuturile profunde ale corpului, pentru observarea lor a modificărilor în timp real.

„Dispozitivul nostru se bazează pe principii complet diferite de roboți, - spune Gary sacrificare a NIST, care a condus studiul cu colegii Stephen Dodd si Alan Coretchi de la NIH.

măsurători bazate pe sensibilitatea -In Loc optice, schimbarea formei senzorului este proiectat să funcționeze în spectrul de frecvențe radio, în special pentru a fi detectabil pentru un echipament RMN sau standard de IRM. Aceste semnale RF, de exemplu, cu greu atenuate de țesuturi biologice ".

Ca rezultat, ele pot da un puternic semnale, distinctive din organul mici situate în țesuturile profunde ale corpului, sau alte site-uri inaccesibile pentru a studia prin intermediul senzorilor optici.

Noul dispozitiv numit codat geometrically senzor magnetic (HCM) este un aparat de metal-gel, dimensiunea de 5-10 ori mai mici decat o celula rosii din sange, una dintre cele mai mici celule umane. Fiecare este compus din două discuri magnetice variind în mărime de la 0,5 până la 2 micrometri în diametru și câțiva nanometri grosime. Intre aceste discuri au un strat intermediar de hidrogel - o rețea de polimer, care poate absorbi cantități diferite de apă, în funcție de structura și compoziția chimică, modificarea volumului său într-o destul de mare măsură. Raportul de expansiune depinde de proprietățile chimice ale gelului și mediul din jurul acesteia. Pe de altă parte, hidrogelul poate fi, de asemenea, reduse ca dimensiune, ca răspuns la schimbările din mediul local. Hidrogel, care cercetatorii au folosit in experimentele lor, volumul a crescut într-un mediu neutru și ia redus la valori mai mici ale pH-ului.

Mări sau micșora volumul hidrogelului schimbă distanța (și, prin urmare, tensiunea câmpului magnetic) între cele două discuri, iar aceasta, la rândul său, modifică frecvența la care protonii moleculelor de apă în jurul și în interiorul gelului rezonează ca răspuns la radiații de radio-frecvență. Scanarea eșantionului folosind interval de frecvență rapidă determină prezenta nanosensors formă studiază în mod eficient condițiile de mediu, prin modificarea frecvenței de rezonanță cauzate de sonde care își schimbă forma.

Experimentul descris in Nature, oamenii de știință cu experiență senzori în soluții cu pH diferit în soluții cu concentrații diferite de ioni în mediul lichid care conține celulele vii ale rinichilor sobaki.Metabolizm acestor celule modificate de la starea normală la funcționarea în absența oxigenului. Acest fenomen este însoțit de aciditate a crescut, sa dezvoltat treptat, și au fost înregistrate de către un senzor GCM în timp real. Chiar și atunci când se utilizează o primă generație de senzori neoptimizate, modifică frecvența de rezonanță din cauza trecerii pH-ului au fost mult mai ușor de recunoscut decât folosind orice altă măsură care se modifică prin spectroscopie de rezonanță magnetică.

Urmărirea modificărilor locale ale pH-ului in organisme dificil de realizat vii (un test de sange poate evalua acest lucru, deoarece este amestecat din diferite organe). Cu toate acestea, variațiile locale ale pH-ului poate furniza informații valoroase despre dezvoltarea multor boli. De exemplu, celulele tumorale în jurul pH-ului ușor mai mică decât în ​​țesuturile normale. Inflamatia induce, de asemenea, o schimbare locală pH-ului. Detectarea acestor schimbări pot fi identificate, de exemplu, prezența tumorilor nedetectate sau prezența inflamației în jurul implantului chirurgical.

„Desigur, la o astfel de utilizare potențială în organismele vii este încă departe, - a spus el Gary se confruntă. - Studiul nostru realizat in vitro. Iar unele dintre capacitățile potențiale de senzori pot fi aplicate la țesuturile biologice, în general. Dar obiectivul pe termen lung este de a îmbunătăți tehnica noastră într-o asemenea măsură încât senzorii HCM pot fi folosite în scopuri biomedicale. "

Acest lucru necesită, printre altele, miniaturizarea în continuare. HCM Senzori 0,5-2 micrometri diametru suficient de mic pentru majoritatea experimentelor non-biologice și experimente invitro, precum și, eventual, pentru unele măsurători in vivo. Cu toate acestea, evaluarea experimentală preliminară arată că senzorul poate fi redus la probabil diametru mai mic de 100 de nanometri. Se poate deschide o mulțime de senzori caracteristici suplimentare utilizate în medicină și biologie.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale senzorilor HCM este că ei pot „ajusta“ pentru a răspunde la o varietate de statut biochimic și rezonează în diferite părți ale spectrului de frecvențe radio, prin modificările corespunzătoare în componența modificărilor hidrogel în forma și compoziția discurilor magnetice. Astfel, prin introducerea a două tipuri diferite de HCM-senzori într-unul și același loc, este posibil de a urmări schimbările de două caracteristici diferite în timp real. Această posibilitate cercetatorii au demonstrat prin plasarea doi senzori cu caracteristici diferite în unul și același loc și luând semnalele de la ei simultan.

„Ideea este de a dezvolta diferiți senzori pentru a detecta parametri diferiți, măsurați în mod eficient o varietate de potențiali biomarkeri, în același timp, nu doar unul la un moment dat, pentru a diferenția mai bine de boli diferite, - spune Gary se confruntă. - Credem că acești senzori pot fi potențial adaptate pentru măsurarea unui număr de diferite biomarkeri, inclusiv, probabil, glucoza, de temperatura locală, concentrația de diverși ioni, prezența sau absența diferitelor enzime, și așa mai departe. "

RonGolfarb, managerul NIST`sMagneticsGroup, constată că „activitatea lui Gary Sabo si colegii sai peste senzorii magnetici este codificat geometric o extensie naturală a cercetării, care a fost publicat de echipa John Moreland în 2008. Această lucrare a arătat cum micromagnet poate acționa ca un „etichete inteligente“ pentru identificarea potențialului de celule, țesuturi specifice sau condiții fiziologice. Functional, GKM-senzori sunt mai moderne, isi schimba forma lor, ca răspuns la un stimul, care acționează ca un dispozitiv de măsurare. Următorul pas va fi de a optimiza proiectarea și dezvoltarea de senzori pentru monitorizarea dimensiunii producției lor pe scară largă pentru acești senzori au devenit disponibile pentru cercetători. "