Поскольку окислительный стресс связан с различными серьезными заболеваниями, его обнаружение в живых органах предлагает путь к ранней диагностике и профилактическому лечению и, таким образом, представляет значительный интерес для ученых, работающих в области биомедицины. Недавнее международное сотрудничество между Японскими национальными институтами квантовой и радиологической науки и технологий (QST), Болгарской академией наук и Софийским университетом Св. Климент Охридски из Болгарии разработал многообещающую технологию для этой цели: новый квантовый датчик. Их работа опубликована в научном журнале Analytical Chemistry, 2021 г.
По словам ведущего ученого д-ра. Румяна Бакалова и ее коллега д-р.
Ичио Аоки из QST, «новый датчик подходит для ранней диагностики патологий, сопровождающихся воспалением, таких как инфекционные заболевания, рак, нейродегенерация, атеросклероз, диабет и дисфункция почек."
Датчик состоит из квантовой точки – полупроводника – сердечника, покрытого кольцеобразным сахароподобным соединением, называемым ?-циклодекстрин, который, в свою очередь, связан с шестью химическими группами, чувствительными к окислительно-восстановлению, называемыми производными нитроксида. Эти компоненты имеют преимущество в виде благоприятных профилей безопасности, при этом циклодекстрины одобрены для использования в пищевых продуктах, а производные нитроксила считаются в целом безвредными для живых существ из-за их антиоксидантных свойств.
Производные нитроксида заставляют датчик подавать сигналы флуоресценции при включенном состоянии в восстановленном состоянии и подавать магнитные сигналы при включении в окисленном состоянии.
Это позволяет обнаруживать окислительный стресс или снижение емкости клеток / тканей, используя такие методы, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и электронно-парамагнитная томография (ЭПР), которые могут обнаруживать магнитные сигналы. Химический сенсор также связан с соединением под названием трифенилфосфоний, которое помогает сенсору проникать в живые клетки и переходить к митохондриям, которые являются клеточными компонентами, наиболее часто ответственными за генерацию АФК, особенно при патологических условиях.
Чтобы проверить свой новый химический сенсор, ученые сначала провели эксперименты с культурами нормальных (здоровых) и раковых клеток толстой кишки в лаборатории.
Для этого они использовали свой сенсор в окисленной форме. В здоровых клетках сигналы ЭПР были погашены; но в раковых клетках они оставались сильными.
Это указывает на то, что сенсоры были восстановлены в здоровых клетках антиоксидантами, но остались в своем окисленном состоянии в раковых клетках, что, в свою очередь, предполагает, что раковые клетки имели более высокую окислительную способность.
Чтобы дополнительно проверить датчик, исследователи провели эксперименты как со здоровыми мышами, так и с теми, которые в течение 2 месяцев находились на диете с высоким содержанием холестерина, что привело к развитию у них дисфункции почек на ранней стадии из-за стойкого воспаления.
По сравнению со здоровыми мышами, мыши с дисфункцией почек демонстрировали более сильные сигналы МРТ в почках, что позволяет предположить, что их почки испытывали более сильный окислительный стресс.
Эта работа находится на начальной стадии, и необходимо провести много исследований, прежде чем эти датчики будут готовы к медицинскому использованию.
Но эти результаты раскрывают потенциал такой технологии. Доктор.
Бакалова отмечает: «Наш датчик подходит для анализа даже небольших окислительно-восстановительных дисбалансов, связанных с перепроизводством АФК, с помощью МРТ. И хотя МРТ и КТ сами по себе смогли диагностировать запущенную стадию поражения почек, они еще не смогли визуализировать ранние стадии дисфункции.
Использование нашего зонда может помочь клиницистам выявлять пациентов на ранней стадии почечного повреждения до того, как им понадобится гемодиализ или трансплантация почки. При дальнейших исследованиях наш датчик может стать новым поколением чувствительных к окислительно-восстановлению контрастных зондов для ранней диагностики дисфункции почек и, возможно, ряда других заболеваний, сопровождающихся воспалением."