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

氧氣對人類生命至關(guān)重要，但在體內(nèi)，某些生物環(huán)境條件可以將氧氣轉(zhuǎn)化為稱為活性氧（ROS）的激進(jìn)反應(yīng)分子，這會破壞DNA，RNA和蛋白質(zhì)。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(zhuǎn)化為危險性較低的化學(xué)物質(zhì)。但是不健康的生活方式，各種疾病，壓力和衰老都可能導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生與身體減少和消除它們的能力之間的不平衡。由此產(chǎn)生的過量 ROS 會導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這會破壞正常的細(xì)胞功能并增加患癌癥、神經(jīng)變性、腎功能障礙等疾病的風(fēng)險，這些疾病都伴有嚴(yán)重的炎癥。

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

根據(jù)QST的科學(xué)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(jīng)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(diǎn) - 半導(dǎo)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(xué)基團(tuán)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(zhǔn)用于食品，氮氧化物衍生物由于其抗氧化特性而被認(rèn)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(yīng)激或降低的細(xì)胞/組織容量，這些方法可以檢測磁信號�；瘜W(xué)傳感器還與一種稱為三苯基膦的化合物結(jié)合，該化合物有助于傳感器進(jìn)入活細(xì)胞并進(jìn)入線粒體，線粒體是常負(fù)責(zé)產(chǎn)生ROS的細(xì)胞成分，特別是在病理條件下。

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

為了進(jìn)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(jìn)行了實驗，這導(dǎo)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(xiàn)出更強(qiáng)的MRI信號，表明它們的腎臟處于更大的氧化應(yīng)激下。

這項工作還處于初始階段，在這些傳感器準(zhǔn)備好用于醫(yī)療用途之前需要進(jìn)行大量研究。但這些發(fā)現(xiàn)揭示了這種技術(shù)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(chǎn)生相關(guān)的小氧化還原失衡。雖然MRI和CT本身已經(jīng)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(jìn)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。