荧光传感识别大脑中的癌症指标

       德国明斯特大学医院和法国巴黎萨克雷大学的研究人员提出了一种方法来纠正由血流变化引起的伪影，并使用来自荧光共振能量转移（FRET）传感器的荧光信号记录大鼠大脑中的细胞特异性乳酸水平。虽然 FRET 可通过显微镜来研究神经生理学，但其在体内研究中的应用会受到伪影的限制。

       人体内乳酸水平可以作为癌症和其他疾病的指标。但是目前监测乳酸的方法没有足够的时间分辨率来检测乳酸水平的实时变化，尤其是在乳酸浓度较低的大脑中。

       研究人员使用乳酸传感器 Laconic 和钙传感器 Twitch-2B 来获取大鼠体内乳酸和钙水平的 FRET 记录。他们使用功能 MRI (fMRI) 和药理学 MRI (phMRI) 信号来识别和纠正记录中的血流动力学伪影。

       该研究记录了基于纤维的 FRET 传感器是否能够成功检测体内乳酸水平的变化。这项工作还试图确定传感器如何响应大脑中血流和血氧水平的变化。

在体内，使用 FRET 传感器在啮齿动物大脑中进行基于纤维的代谢物检测是可行的。为了检测乳酸水平，需要校正血流动力学伪影，这可以通过同时或单独采集的 fMRI 信号来实现。

       Laconic 是一种具有高时间分辨率的乳酸传感器，包含两种荧光化合物：供体化合物和受体化合物。这些被称为荧光团的化合物发出不同波长的光，并与乳酸相互作用的分子隔开。

       当 Laconic 传感器被光照射时，供体荧光团吸收光并将其转移到受体。发射光的强度取决于能量转移和两个荧光团之间的距离。当乳酸与分离荧光团的分子相互作用时，供体和受体之间的距离会发生变化，从而影响发射强度。传感器通过观察发射光的强度来检测乳酸的水平。研究人员说，这些信息可以与 fMRI 扫描一起使用，以绘制细胞特异性乳酸水平图，并将它们与大脑中的血流联系起来。

       研究人员对 Laconic 和 Twitch-2B 传感器进行了基因编码，从而在大鼠的感觉皮层（接收感觉信息的大脑区域）中表达。为了获取荧光信号，他们在传感器上方植入了一根光纤，用来传输光线进出大脑。在给大鼠静脉注射乳酸并刺激大鼠的感觉皮层后，研究人员测量了传感器植入物所表达的荧光信号。

       乳酸传感器和钙传感器都对大脑活动的变化作出反应。乳酸传感器检测到注射引起的乳酸浓度增加。然而，当研究人员比较在感觉刺激和乳酸注射时记录的荧光、功能磁共振成像和脑血容量信号的时间过程时，他们发现了血流动力学伪影的显着影响。伪影存在于分别对应于 Laconic 和 Twitch-2B 的乳酸和钙信号的荧光信号比率中。

       由于 MR 对比对血流动力学变化很敏感，研究人员使用 MR 衍生参数来校正荧光记录中的血流动力学伪影。 他们使用了一种校正算法，消除了荧光和 MRI 信号同时和单独测量的伪影。

       基于 MR 的校正算法使研究人员能够在感觉刺激和静脉注射乳酸期间检测乳酸和钙的变化。 他们使用局部场电位记录、磁共振波谱和血液分析验证了其测量结果。

       结果表明，基于荧光的传感可用于测量活生物体中细胞特异性乳酸水平的变化，前提是对信号进行伪影校正。研究人员的方法可用于提供额外的信息，以检测癌症和其他疾病，如炎症和自身免疫性疾病。

       该研究发表在 Neurophotonics (www.doi.org/10.1117/1.NPh.9.3.032212) 。