Обнаружение одиночных молекул и диагностика заболеваний с помощью смартфона
Исследователи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) продемонстрировали, что свечение от одиночной молекулы можно зарегистрировать с помощью недорогой оптической установки. Их прототип может упростить медицинскую диагностику.
Биомаркеры играют ключевую роль в диагностике заболеваний и оценке их течения. Среди используемых сегодня маркеров — гены, белки, гормоны, липиды и другие классы молекул. Их можно обнаружить в крови, спинномозговой жидкости, моче и различных типах тканей, но у большинства из них есть общая черта: они встречаются в крайне низких концентрациях, что технически затрудняет их обнаружение и количественное определение.
Многие методы детекции используют молекулярные зонды, такие как антитела или короткие последовательности нуклеиновых кислот, которые предназначены для связывания со специфическими биомаркерами. Когда зонд распознаёт и связывается со своей мишенью, химические или физические реакции генерируют флуоресцентные сигналы. Такие методы работают хорошо, если они достаточно чувствительны, чтобы распознать соответствующий биомаркер у большинства пациентов. Кроме того, перед практическим применением таких флуоресцентных тестов необходимо провести амплификацию (усиление) самих биомаркеров или их сигналов. Конечная цель — позволить проводить медицинский скрининг непосредственно у пациентов, без отправки образцов в лабораторию.
Молекулярные антенны усиливают флуоресцентные сигналы
Филипп Тиннефельд, заведующий кафедрой физической химии в LMU, разработал стратегию определения уровня биомаркеров, присутствующих в низких концентрациях. Ему удалось присоединить ДНК-зонды к крошечным частицам золота или серебра. Пары таких частиц («димеры») действуют как наноантенны, усиливающие флуоресцентные сигналы. Механизм следующий: взаимодействие между наночастицами и падающими световыми волнами усиливает локальные электромагнитные поля, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению амплитуды флуоресценции. Таким способом можно специфически обнаруживать бактерии, содержащие гены устойчивости к антибиотикам, и даже вирусы.
«ДНК-наноантенны изучаются в течение последних нескольких лет, но создание этих наноструктур представляет сложности», — говорит Катерина Трофимчук, соавтор исследования. Группе Филиппа Тиннефельда удалось более точно сконфигурировать компоненты своих наноантенн и позиционировать молекулы ДНК, служащие захватывающими зондами, в месте усиления сигнала. В совокупности эти модификации позволяют более эффективно усиливать флуоресцентный сигнал. Более того, в задействованном крошечном объёме порядка зептолитров (10-21 литра) можно захватить ещё больше молекул.
Высокая степень контроля позиционирования стала возможной благодаря ДНК-нанотехнологии, которая использует структурные свойства ДНК для сборки различных наноразмерных объектов — в чрезвычайно больших количествах. «В одном образце мы можем одновременно произвести миллиарды таких наноантенн, используя процедуру, которая, по сути, состоит из смешивания нескольких растворов пипеткой», — говорит Трофимчук.
Рутинная диагностика на смартфоне
«В будущем наша технология может быть использована для диагностических тестов даже в регионах с ограниченным доступом к электричеству или лабораторному оборудованию, — говорит Виктория Глембоцките, также соавтор публикации. — Мы показали, что можем напрямую обнаруживать небольшие фрагменты ДНК в сыворотке крови, используя портативный микроскоп на базе смартфона, работающий от обычного USB-аккумулятора». Новые смартфоны обычно оснащены довольно хорошими камерами. Кроме того, всё, что нужно, — это лазер и линза, два легкодоступных и недорогих компонента. Исследователи LMU использовали этот базовый рецепт для создания своих прототипов.
Они продемонстрировали, что с помощью этой установки можно обнаружить фрагменты ДНК, специфичные для генов устойчивости к антибиотикам у бактерий. Однако анализ можно легко модифицировать для обнаружения целого ряда интересных мишеней, таких как вирусы. Тиннефельд настроен оптимистично: «Прошлый год показал, что всегда существует потребность в новых и инновационных диагностических методах, и, возможно, наша технология однажды сможет внести вклад в разработку недорогого и надежного диагностического теста, который можно будет проводить дома».