Разработан новый метод усиления флуоресцентного сигнала от наносенсора

Флуоресцентные наносенсоры — важный инструмент в современной биологии. С их помощью исследователи изучают опухоли, лекарства в доклинических испытаниях и пытаются диагностировать болезни. Однако до сих пор применение этих сенсоров in vivo было затруднено автофлуоресценцией тканей самого организма.

Международная команда ученых из США, Японии и Израиля решила эту проблему. Они разработали новый метод возбуждения флуоресценции — WIFF (wavelength-induced frequency filtering). Исследователи использовали осциллирующие лазерные вспышки с частотой f в области поглощения биосенсора. В результате возбуждения сенсор генерирует ответный сигнал с частотой в два раза выше возбуждающего (2f). Так как у окружающих тканей интенсивность флуоресценции экспоненциально зависит от длины волны и не имеет локальных максимумов, то сигнал от них будет иметь другой вид, его можно будет отфильтровать.

Для фильтрации фона ученые трансформировали свои данные с помощью преобразования Фурье. Результаты анализа подтвердили, что основная частота сигнала от сенсора была в два раза выше возбуждающего. В то же время фоновой сигнал имел как f, так и 2f компоненты. Чтобы отфильтровать его, ученые ввели величину G — отношение мощностей фонового сигнала с частотой 2f и с частотой f. Этот коэффициент зависит только от характеристик автофлуоресценции ткани и параметров возбуждения.

Для демонстрации эффективности метода ученые измерили сигнал от наносенсора на рибофлавин в зародыше свиньи. Они ввели наносенсор в брюшную полость, а сам рибофлавин поступал в зародыш через катетер. В случае измерений на небольшой глубине WIFF показал такие же результаты, как и классические микроскопия с одним лазером. При измерении сигнала в глубине тканей эффективность классического подхода резко падала, в то время как новый метод оставался эффективным. В другом эксперименте с куриной грудкой и искусственной тканью WIFF детектировал сигнал на глубине 5,5 и 4,8 см соответственно.

Исследователи также применили новый метод для детекции флуоресценции в живых мышах. Ученые имплантировали сенсор подкожно со стороны живота и измеряли сигнал от сенсора со стороны живота и со спины тремя разными способами. В случае детекции со спины только WIFF смог определить флуоресценцию сенсора.

Затем ученые провели эксперимент в динамике. Они имплантировали наносенсор во внутрибрюшинное пространство мыши, после чего вводили рибофлавин и с помощью WIFF отслеживали распределение вещества в организме. Такая методика открывает новые возможности для изучения диффузии веществ и лекарственных препаратов. Также авторы отследили распределение темозоломида — препарата от глиобластомы — в мозге зародыша свиньи.

Таким образом, WIFF повышает отношение сигнала к шуму в десятки раз и позволяет детектировать сигнал от сенсора, отфильтровывая аутофлуоресценцию тканей организма. Новый метод успешно сработал для десяти флуоресцентных веществ. Используя WIFF, ученые смогли решить задачи, для которых раньше использовали МРТ.