不健康的生活方式、各種疾病、壓力和衰老都會導致 ROS 的產生與身體減少和消除它們的能力之間的不平衡。由此產生的過量ROS會導致“氧化應激”。圖片來源：美國國家量子與放射科學與技術研究所。

氧氣對人類生命至關重要，但在體內，某些生物環(huán)境條件可以將氧氣轉化為稱為活性氧（ROS）的激進反應分子，這會破壞DNA，RNA和蛋白質。通常，身體依靠稱為抗氧化劑的分子通過稱為還原的過程將ROS轉化為危險性較低的化學物質。但是不健康的生活方式，各種疾病，壓力和衰老都可能導致ROS的產生與身體減少和消除它們的能力之間的不平衡。由此產生的過量 ROS 會導致氧化應激，這會破壞正常的細胞功能并增加患癌癥、神經變性、腎功能障礙等疾病的風險，這些疾病都伴有嚴重的炎癥。

由于氧化應激與各種嚴重疾病有關，因此在活體器官中的檢測為早期診斷和預防性治療提供了一條途徑，因此，對于在生物醫(yī)學領域工作的科學家來說，這是一個相當感興趣的問題。近期，日本國立量子與放射科學與技術研究所（QST）、保加利亞科學院和保加利亞索非亞大學圣克里門特·奧赫里斯基（St. Kliment Ohridski）之間的國際合作產生了一種有前途的技術：一種新型量子傳感器。他們的工作發(fā)表在2021年的科學期刊《分析化學》上。

根據QST的科學家Rumiana Bakalova博士和她的同事Ichio Aoki博士的說法，“新傳感器適用于伴有炎癥的病理的早期診斷，如傳染病，癌癥，神經變性，動脈粥樣硬化，糖尿病和腎功能障礙。

該傳感器包括一個量子點 - 半導體 - 核心，上面涂有稱為α-環(huán)糊精的環(huán)狀糖樣化合物，該化合物又與六個稱為氮氧化物衍生物的氧化還原敏感化學基團鍵合。這些成分具有良好的穩(wěn)定性優(yōu)勢，環(huán)糊精被批準用于食品，氮氧化物衍生物由于其抗氧化特性而被認為通常對生物無害。

氮氧化物衍生物使傳感器在還原狀態(tài)下發(fā)出ON熒光信號，在氧化狀態(tài)下發(fā)出ON磁信號。這允許使用磁共振成像（MRI）和電子順磁成像（EPR）等方法檢測氧化應激或降低的細胞/組織容量，這些方法可以檢測磁信號。化學傳感器還與一種稱為三苯基膦的化合物結合，該化合物有助于傳感器進入活細胞并進入線粒體，線粒體是常負責產生ROS的細胞成分，特別是在病理條件下。

為了測試他們的新型化學傳感器，科學家們首先在實驗室中對正常（健康）和癌性結腸細胞的培養(yǎng)物進行了實驗。為此，他們以氧化形式使用了傳感器。在健康細胞中，EPR信號被淬滅;但在癌細胞中，它們保持強壯。這表明傳感器在健康細胞中被抗氧化劑減少，但在癌細胞中仍處于氧化狀態(tài)，這反過來表明癌細胞具有更高的氧化能力。

為了進一步測試傳感器，研究人員對健康小鼠和那些在高膽固醇飲食中飼養(yǎng)了2個月的小鼠進行了實驗，這導致它們由于持續(xù)炎癥而發(fā)展為早期腎功能障礙。與健康小鼠相比，腎功能不全的小鼠在腎臟中表現出更強的MRI信號，表明它們的腎臟處于更大的氧化應激下。

這項工作還處于初始階段，在這些傳感器準備好用于醫(yī)療用途之前需要進行大量研究。但這些發(fā)現揭示了這種技術的潛力。Bakalova博士指出：“我們的傳感器適用于通過MRI分析與ROS過度產生相關的小氧化還原失衡。雖然MRI和CT本身已經能夠診斷晚期腎損傷，但它們還不能可視化功能障礙的早期階段。使用我們的探針可以幫助臨床醫(yī)生在需要血液透析或腎移植之前識別腎損傷早期的患者。隨著進一步的研究，我們的傳感器可能成為下一代氧化還原敏感對比探針，用于腎功能障礙的早期診斷，也許還有許多其他伴有炎癥的疾病。