在某些难以治疗的疾病（如癌症和肾功能不全）的早期阶段，在受影响的器官中会看到一种称为“氧化应激”的现象。因此，检测氧化应激可以实现早期诊断和预防性治疗。但是，历史上很难对由氧化和还原引起的氧化应激进行体内测量。现在，科学家们已经开发出一种先进的量子传感器技术，该技术可以使用荧光成像和MRI无创地检测整个身体的“氧化应激”。
氧气对于人类生命至关重要，但是在体内，某些生物环境条件会将氧气转化为具有活性的分子，称为活性氧（ROS），会破坏DNA，RNA和蛋白质。通常，人体依靠称为抗氧化剂的分子通过称为还原的过程将ROS转化为危害较小的化学物质。但是不健康的生活方式，各种疾病，压力和衰老都可能导致ROS的产生与人体减少和消除ROS的能力之间的不平衡。所产生的过量ROS会引起“氧化应激”，从而破坏正常的细胞功能并增加罹患癌症，神经退行性疾病，肾功能不全等疾病的风险，这些疾病均伴有严重的炎症。
由于氧化应激与各种严重疾病有关，因此在生物器官中检测氧化应激为早期诊断和预防治疗提供了途径，因此，对于生物医学领域的科学家来说，这是一个相当感兴趣的问题。日本国立量子与放射科学技术研究院（QST），保加利亚科学院与保加利亚索非亚大学圣克里门特•奥赫里斯基（Sofia University St.Kliment Ohridski）之间最近的国际合作导致了一种有前途的技术：一种新颖的量子传感器。他们的工作发表在2021年《科学分析化学》杂志上。
QST的首席科学家Rumiana Bakalova博士及其同事Ichio Aoki博士说：“这种新型传感器适用于早期诊断伴发炎症的病理，例如传染病，癌症，神经变性，动脉粥样硬化，糖尿病和肾功能不全。”
该传感器包括一个量子点-半导体-核，该核上涂有一种称为α-环糊精的环状糖状化合物，该化合物又与六个被称为氮氧化物衍生物的氧化还原敏感化学基团结合。这些组分具有有利的安全性的优点，环糊精被批准用于食品中，并且由于其抗氧化性能，一氧化氮衍生物通常被认为对生物无害。
氮氧化物衍生物使传感器在还原状态下发出ON荧光信号，在氧化状态下发出ON磁信号。这允许使用诸如磁共振成像（MRI）和电子顺磁成像（EPR）之类的方法来检测氧化应激或降低的细胞/组织容量，该方法可以检测磁信号。化学传感器还与称为三苯基phosph的化合物结合，该化合物可帮助传感器进入活细胞并进入线粒体，而线粒体是最常产生ROS的细胞成分，尤其是在病理条件下。
为了测试他们的新型化学传感器，科学家首先在实验室中对正常（健康）结肠癌细胞和癌细胞进行了实验。为此，他们使用了氧化形式的传感器。在健康细胞中，EPR信号被淬灭。但在癌细胞中，它们保持坚强。这表明传感器在健康细胞中被抗氧化剂还原，但在癌细胞中仍处于氧化状态，这反过来表明癌细胞具有较高的氧化能力。
为了进一步测试传感器，研究人员对健康小鼠和高胆固醇饮食饲养的小鼠进行了两个月的实验，由于持续的炎症，它们导致了早期肾脏功能障碍。与健康小鼠相比，肾功能不全的小鼠的肾脏表现出更强的MRI信号，表明它们的肾脏承受更大的氧化应激。
这项工作尚处于初期阶段，需要大量研究才能将这些传感器准备用于医疗用途。但是这些发现揭示了这种技术的潜力。Bakalova博士指出：“我们的传感器适用于通过MRI分析甚至与ROS过量产生有关的小氧化还原失衡。尽管MRI和CT本身已经能够诊断晚期肾脏损害，但他们还不能可视化功能障碍的早期阶段。使用我们的探头可以帮助临床医生在需要血液透析或肾脏移植之前识别出处于肾脏损害早期的患者。进一步的研究，我们的传感器可以成为下一代用于早期氧化还原敏感的对比探头诊断肾功能不全，也许还有其他一些伴随炎症的疾病。”
参考来源：Dessislava Lazarova，Severina Semkova，Genoveva Zlateva，Higashi Tatsuya，Ichio Aoki，Rumiana Bakalova。量子传感器使用电子-顺磁共振，磁共振成像和光学成像跟踪细胞和组织中的总氧化还原状态和氧化应激。分析化学，2021；DOI：10.1021/acs.analchem.0c04116