Ученые создали сверхчувствительные наноматериалы для ДНК-диагностики и адресной доставки лекарств
Российские исследователи из МФТИ и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН представили в журнале ACS Nano «умный» материал с уникальными свойствами. Он перспективен для экспресс-анализа ДНК и создания лекарств нового поколения против рака и других серьезных заболеваний.
Современные системы адресной доставки лекарств обычно нацелены на один маркер больных клеток, который часто присутствует и на здоровых клетках, хотя и в меньшем количестве. Для повышения точности нужны материалы, способные анализировать несколько параметров среды одновременно.
Ранее та же группа ученых разработала нано- и микрочастицы, способные выполнять сложные логические вычисления с помощью биохимических реакций (Nature Nanotechnology, 2014). Однако такие биокомпьютинговые материалы до сих пор не были достаточно чувствительны к маркерам заболеваний для практического применения.
Новая работа знаменует прорыв в этой области. Ученые создали уникальный «умный» материал со сверхчувствительностью к сигналам ДНК. Он на несколько порядков чувствительнее ближайших аналогов и превосходит по чувствительности большинство существующих экспресс-тестов на ДНК.
Ключевое открытие связано с необычным поведением молекул ДНК на поверхности наночастиц. Один конец одноцепочечной молекулы ДНК закрепляли на наночастице, а на другой конец помещали небольшой молекулярный рецептор. Оказалось, что одноцепочечная ДНК прилипает к поверхности частицы и сворачивается, «пряча» рецептор. Однако при добавлении комплементарных одноцепочечных ДНК цепи образуют жесткую двойную спираль (дуплекс), которая «разматывается», как язык хамелеона, обнажая рецептор для связывания с мишенью.
«В отличие от молекулярных маячков, обнаруженное явление позволяет отдельно настраивать силу скручивания ДНК на наночастице от силы распрямления входной ДНК. Это приводит к радикально лучшей чувствительности на вход», — отметил первый автор статьи Владимир Черкасов.
Исследователи продемонстрировали агенты, способные обнаруживать концентрации ДНК до 30 фемтомолей (30×10-15 моль) на литр без усиления сигнала. Высокая чувствительность была показана с помощью простого иммунохроматографического анализа (как в тестах на беременность), что делает технологию пригодной для быстрого скрининга инфекций, домашних тестов и т.п.
Технология также применима для создания «умных» наноагентов, распознающих раковые клетки по концентрации малых РНК в их микроокружении. Чем короче обнаруживаемая нуклеиновая кислота, тем более конкурентоспособной становится эта технология.
«Что еще более интересно, наш метод позволяет исследовать микроокружение клеток, чтобы определить, являются ли более короткие малые РНК полезными маркерами заболеваний, а не бессмысленными соединениями, каковыми их обычно считают из-за трудностей в их обнаружении», — добавил руководитель исследования Максим Никитин.
Новая технология открывает перспективы для геномики — как для экспресс-анализа ДНК, так и для создания терапевтических наноматериалов следующего поколения, способных доставлять препараты только к клеткам с определенным генетическим профилем микроокружения.