当医生和科学家想要观察体内情况时，磁共振成像（MRI）是一种强大的工具。MRI可以非侵入性地捕捉身体肌肉、器官和骨骼的详细图像，并监测血流以生成大脑活动的地图。麻省理工学院的生物工程师开发的新传感器使得MRI能够追踪使我们大脑和身体运作的分子类型。在《Nature Biomedical Engineering》期刊的5月13日刊中，由艾伦·贾萨诺夫教授领导的团队报告了他们的新传感器，这些传感器能够对特定分子目标的响应亮度进行调节，从而显著提高信号敏感度。贾萨诺夫表示，这种方法将使MRI传感器能够检测神经递质和其他重要分子。他希望能够测量神经递质、神经肽和代谢物等化学信号在整个大脑中的波动。
贾萨诺夫解释说，研究人员在使用MRI敏感地检测大脑中的小分子方面一直面临挑战，因为任何给定神经化学物质的量都很少。传感器可以设计成在特定分子存在时改变MRI信号的亮度，但这需要大量的对比剂。如果每个对比剂分子都需要其特定目标分子来激活，那么目标分子的低浓度就会限制传感器在MRI扫描中的可见性。贾萨诺夫说：“你在成像中看到的信号变化将非常微小，无法检测生理事件。”贾萨诺夫团队的新传感器，主要由博士后萨亚尼·达斯和研究生雅各布·西耶特·西蒙领导的开发，克服了这一问题。为了在目标分子响应中产生更大的信号变化，研究人员设计了探针，使得单个目标分子影响的不仅仅是一个对比剂，而是多个。为了实现这一点，达斯和西蒙将MRI对比剂封装在称为脂质纳米颗粒的小囊泡中。每个纳米颗粒内装有多种钆分子，这是一种能够增强水中氢原子MRI信号的磁性材料。在其保护囊内，钆对MRI信号没有影响，除非水分子能够轻易进出。达斯和西蒙在其装满钆的纳米颗粒壁上构建了水通道，设计成其开口依赖于目标分子的存在与否。当通道打开时，更多的水进入，钆增强了局部MRI信号，使扫描中的该区域更加明亮。研究人员将其称为响应目标的传感器，称为脂质纳米颗粒报告器（LisNRs，发音为“listeners”）。他们设计的LisNRs仅在存在目标分子的情况下才允许水进入。纳米颗粒中的水通道在遇到目标分子之前保持阻塞，目标分子可以将一段阻塞通道的蛋白质推开。一旦通道阻塞物被移除，水进入，MRI信号亮度增强。他们还制造了在检测到目标分子时减弱MRI信号的LisNRs，这种传感器的通道在目标分子到来并阻塞它之前保持打开状态，阻止水进入。贾萨诺夫实验室的成员维纳·沙尔马、萨米拉·阿博泽德和格雷戈里·提阿博德在理解和优化这些相互作用方面发挥了重要作用，东京大学井上正幸实验室的合作者帮助研究小组设计了更高效的通道。在由博士后米兰达·道森领导的实验中，贾萨诺夫团队使用LisNRs在活老鼠的大脑和身体中检测到一种名为生物素的分子，展示了探针的放大效应。贾萨诺夫表示：“我们展示了可以以约十倍的敏感度检测微摩尔级别的生物素，而如果使用更传统的一对一传感方法则无法实现。”他补充说，团队的建模表明，通过进一步开发，他们可能能够实现更大的敏感度提升。该小组展示了新传感器可以全身递送，达到各种器官并在大脑中扩散。这使得它们成为大脑全景成像以及在周围神经系统或其他组织中成像的有前景工具。下一步将是工程化响应贾萨诺夫及其团队希望研究的特定神经化学物质的LisNRs。“我们希望在原则上能够检测到大脑中大约100种神经化学物质，”他说。他们将从多巴胺和谷氨酸开始，这两种重要且相对丰富的分子介导神经元之间的通信。这项研究，包括对参与工作的博士后和研究生的支持，部分得到了洛尔·哈普·麦戈文、麻省理工学院杨·谭集体、麻省理工学院K·丽莎·杨脑-身体中心、麻省理工学院霍克·E·谭和K·丽莎·杨自闭症研究中心以及麻省理工学院K·丽莎·杨和霍克·E·谭分子治疗中心的资助。