不健康的生活方式、各种疾病、压力和衰老都会导致 ROS 的产生与身体减少和消除它们的能力之间的不平衡。由此产生的过量ROS会导致“氧化应激”。图片来源：美国国家量子与放射科学与技术研究所。
氧气对人类生命至关重要，但在体内，某些生物环境条件可以将氧气转化为称为活性氧（ROS）的激进反应分子，这会破坏DNA，RNA和蛋白质。通常，身体依靠称为抗氧化剂的分子通过称为还原的过程将ROS转化为危险性较低的化学物质。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的产生与身体减少和消除它们的能力之间的不平衡。由此产生的过量 ROS 会导致氧化应激，这会破坏正常的细胞功能并增加患癌症、神经变性、肾功能障碍等疾病的风险，这些疾病都伴有严重的炎症。
由于氧化应激与各种严重疾病有关，因此在活体器官中的检测为早期诊断和预防性治疗提供了一条途径，因此，对于在生物医学领域工作的科学家来说，这是一个相当感兴趣的问题。近期，日本国立量子与放射科学与技术研究所（QST）、保加利亚科学院和保加利亚索非亚大学圣克里门特·奥赫里斯基（St. Kliment Ohridski）之间的国际合作产生了一种有前途的技术：一种新型量子传感器。他们的工作发表在2021年的科学期刊《分析化学》上。
根据QST的科学家Rumiana Bakalova博士和她的同事Ichio Aoki博士的说法，“新传感器适用于伴有炎症的病理的早期诊断，如传染病，癌症，神经变性，动脉粥样硬化，糖尿病和肾功能障碍。
该传感器包括一个量子点 - 半导体 - 核心，上面涂有称为α-环糊精的环状糖样化合物，该化合物又与六个称为氮氧化物衍生物的氧化还原敏感化学基团键合。这些成分具有良好的稳定性优势，环糊精被批准用于食品，氮氧化物衍生物由于其抗氧化特性而被认为通常对生物无害。
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。这允许使用磁共振成像（MRI）和电子顺磁成像（EPR）等方法检测氧化应激或降低的细胞/组织容量，这些方法可以检测磁信号。化学传感器还与一种称为三苯基膦的化合物结合，该化合物有助于传感器进入活细胞并进入线粒体，线粒体是常负责产生ROS的细胞成分，特别是在病理条件下。
为了测试他们的新型化学传感器，科学家们首先在实验室中对正常（健康）和癌性结肠细胞的培养物进行了实验。为此，他们以氧化形式使用了传感器。在健康细胞中，EPR信号被淬灭;但在癌细胞中，它们保持强壮。这表明传感器在健康细胞中被抗氧化剂减少，但在癌细胞中仍处于氧化状态，这反过来表明癌细胞具有更高的氧化能力。
为了进一步测试传感器，研究人员对健康小鼠和那些在高胆固醇饮食中饲养了2个月的小鼠进行了实验，这导致它们由于持续炎症而发展为早期肾功能障碍。与健康小鼠相比，肾功能不全的小鼠在肾脏中表现出更强的MRI信号，表明它们的肾脏处于更大的氧化应激下。
这项工作还处于初始阶段，在这些传感器准备好用于医疗用途之前需要进行大量研究。但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分析与ROS过度产生相关的小氧化还原失衡。虽然MRI和CT本身已经能够诊断晚期肾损伤，但它们还不能可视化功能障碍的早期阶段。使用我们的探针可以帮助临床医生在需要血液透析或肾移植之前识别肾损伤早期的患者。随着进一步的研究，我们的传感器可能成为下一代氧化还原敏感对比探针，用于肾功能障碍的早期诊断，也许还有许多其他伴有炎症的疾病。