Российские ученые создали сенсор, который способен определять точные количественные характеристики того или иного компонента в крови и благодаря этому диагностировать онкологические или инфекционные заболевания на самых ранних стадиях. В ходе эксперимента специалистам удалось обнаружить маркеры рака яичников и молочной железы. В будущем сенсор может стать основой медицинского прибора для быстрой диагностики, полагают эксперты.
Посчитать пузырьки
Специалисты Университета МИСИС совместно с коллегами из Сколтеха и НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова создали прототип компактного сенсора размером с микрочип, который можно использовать для быстрого и простого анализа крови на маркеры различных заболеваний. Такие исследования принято называть жидкостной биопсией. Ученым впервые удалось создать устройство, с помощью которого они проанализировали содержание у пациента внеклеточных визикул — пузырьков, которые клетки организма выделяют в окружающие среду. Эти показатели можно использовать для ранней диагностики онкологических заболеваний.— Благодаря высокой чувствительности, компактному исполнению и безопасности будущую нишу разработанного нами биосенсора мы видим в работе с малыми концентрациями внеклеточных везикул, когда у врачей нет четкого понимания целесообразности применения того или иного вида лечения, а окончательное решение со всеми рисками ложится на плечи пациента. Наш сенсор имеет потенциал стать новым инструментом для таких пограничных случаев, благодаря которому можно не только выявлять онкологию на ранних этапах, но и быстро корректировать выбранный путь лечения, если он оказывается неэффективным, например, при неправильно назначенной химиотерапии, — сказал руководитель лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадим Ковалюк.
Новый сенсор — это микросхема с чувствительным элементом, по волноводам которой двигаются не электроны, как в обычных компьютерах, а фотоны. За счет ближнего поля свет реагирует на всё окружение вокруг волновода. Поэтому при анализе такого сложного раствора, как кровь, он выдает некую среднюю величину — общий интегральный показатель преломления. Однако ученым удалось добиться, чтобы фотоны отражали только концентрацию специфичных везикул. Для этого на сенсор нанесли специальный слой с адресным белком — ДАРПином. Он выхватывает из раствора только интересующий ученых компонент. В данном случае — внеклеточные везикулы, содержащие выбранный мембранный белок (HER2), который и нужно измерить.
В зависимости от цели исследования ДАРПины можно менять. Например, использовать в этой роли антитела к какому-нибудь вирусу, тогда можно будет точно определить концентрацию именно этого патогена.
— Уникальность данной разработки — особая поверхность чипа, благодаря которой из сложного раствора захватываются только нужные вещества, а не измеряется средний показатель преломления. После измерения слои можно смыть и нанести новые. Важно, что разработанная платформа имеет модульный характер и за счет модификации поверхности, в принципе, в будущем может быть легко адаптирована под детектирование белковых соединений и вирусов, — сказала инженер-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Ирина Флоря.
Перспективная технология
Во время исследования ученым удалось выделить маркеры клеток рака яичников и молочной железы.
— Эксперименты проводились на внеклеточных везикулах, выделенных из культуральной среды клеток рака яичников, которые имеют высокую экспрессию HER2, и клеток рака молочной железы со значительно более низкой экспрессией этого белка. Результаты исследования показали, что этот биосенсор может быть использован для количественной оценки биологических маркеров, таких как внеклеточные везикулы, содержащие специфический мембранный белок, — подчеркнул лаборант-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Алексей Кузин.
Исследования визикул начались сравнительно недавно, поэтому пока ученым ясны далеко не все взаимосвязи между их количественными характеристиками и болезнями. С развитием этого направления будут расширяться и возможности диагностики с помощью предложенного сенсора. По расчетам ученых, на разработку полноценного медицинского прибора на основе новой технологии уйдет несколько лет.
— В диагностике онкологических заболеваний жидкостная биопсия находит всё большее применение, но пока еще не вошла в круг диагностических методов первого выбора при наиболее распространенных типах опухолей. Развитие технологий в этой области и появление новых возможностей определения в крови, моче или спинномозговой жидкости маркеров опухолевого роста, безусловно, может улучшить возможности диагностики, — сказал заведующий кафедрой биохимии имени академика Т.Т. Березова РУДН Вадим Покровский.
Преимущества данной разработки — в миниатюрности фотонного чипа, в возможности оперировать чрезвычайно малыми объемами биологической жидкости и определять в них малые концентрации внеклеточных везикул, а также в мониторинге модификации чипа в режиме реального времени для быстрой и точной настройки параметров устройства, — считает доцент кафедры аналитической химии УрФУ Андрей Охохонин.
— Однако есть и ограничение, а именно — технологическая сложность изготовления чипа. В этом процессе используются электронно-лучевая литография, требующая дорогого оборудования, а также ДАРПины — селективно связывающиеся с мишенью протеины, генетически сконструированные аналоги антител, производство которых также сложно назвать дешевым. Но в любом случае работа вносит значимый вклад в развитие биосенсоров и обеспечивает основу для более продвинутых исследований, — сказал Андрей Охохонин.
По словам заведующего лабораторией метагеномики человека НОПЦ генетических и лабораторных технологий СамГМУ Алексея Сустретова, предложенная технология позволяет оценивать константы и сродство связывания химических соединений друг с другом, их физические размеры, выполнять обнаружение и количественный анализ различных веществ в образце. Технология не требует больших ресурсов — расходной частью фактически являются только подложки с зондами — и может использоваться для ранней диагностики, подбора лекарственной терапии и оценки эффективности лечения при злокачественных заболеваниях.