Новые многоразовые биосенсоры быстро выявят вирусы у человека
Ученые разработали многоразовое устройство, позволяющее быстро распознавать вирусы в биологических жидкостях человека. В качестве основы авторы использовали органические полупроводниковые транзисторы, на которые поместили сменную полимерную мембрану, обработанную аптамером — молекулой ДНК, специфично связывающей вирус гриппа А. Предложенное устройство оказалось в 10 тысяч раз чувствительнее тест-системы на основе антител, используемой в клинической практике, но в 10–100 раз менее чувствительным, чем методика ПЦР. Однако, в отличие от ПЦР, занимающей несколько часов, разработанная пластинка проводит анализ меньше чем за 20 минут. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry.
В больницах и поликлиниках пациентов, страдающих респираторными заболеваниями, отправляют на проверку вирусной инфекции. При этом у человека берут образцы из полости рта или полости носа, которые анализируют либо с помощью методов на основе антител, либо за счет полимеразной цепной реакции (ПЦР). Однако результаты этих анализов становятся известны только через несколько часов или дней. В качестве альтернативы могут использоваться органические полевые транзисторы с электрическим затвором. Такие биосенсоры в виде пластинок позволяют обнаруживать вирусы, специфические белки, гормоны в сыворотке крови, слюне, поте или спинномозговой жидкости человека. Однако на данный момент все биосенсоры одноразовые и дорогие, что затрудняет их широкое применение.
Ученые из Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН (Москва) с коллегами предложили способ, позволяющий сделать биосенсоры многоразовыми. Авторы добавили к их конструкции съемный элемент — недорогую полимерную мембрану, покрытую аптамерами (небольшими молекулами ДНК), специфически узнающими и связывающими компоненты биологических жидкостей, например частицы вируса у заразившегося человека. Аптамеры устойчивы к нагреванию, изменению кислотности среды и сохраняют работоспособность в биологических средах, что позволяет использовать их в клинической практике.
Чтобы проверить эффективность модифицированных биосенсоров, авторы опустили мембрану с аптамерами в растворы с разными концентрациями вируса гриппа А. Этот патоген исследователи выбрали, поскольку в больницах именно его наличие в первую очередь проверяют у всех пациентов с острыми респираторными инфекциями. При погружении мембраны в раствор аптамеры связывали вирусные частицы, при этом происходили структурные изменения в молекуле аптамера. Затем ученые поместили такую мембрану на биосенсор, и измененная форма аптамера, связавшегося с вирусом, модифицировала электрический ток, пущенный через биосенсор, в результате чего исследователи получили сигнал о наличии патогена.
Разработанное устройство позволило выявить вирус в растворе, если его концентрация составляла 80 тысяч вирусных частиц (или более) на миллилитр. То есть аптасенсоры оказались примерно в 10 тысяч раз более чувствительными, чем используемый в клинической практике анализ на основе антител, но показали результат в 10–100 раз хуже, чем метод ПЦР. Однако, в отличие от ПЦР, занимающей около двух-трех часов, анализ с помощью аптасенсоров длился не более 20 минут. Несмотря на более низкую чувствительность, аптасенсоры потенциально могут использоваться для быстрого анализа состояния пациента.
Многоразовый аптасенсор на основе ОПТЭЗ и трековых мембран. Источник: Елена Пойманова
Исследователи показали, что предложенные ими конструкции могут использоваться многократно — достаточно заменить недорогую сменную мембрану, оставив биосенсор. При этом структура биосенсора не повреждалась, по крайней мере, при трех заменах мембраны на поверхности устройства.
«Наша модификация упростит изготовление универсальных сенсоров, необходимых в машинах скорой помощи, поликлиниках и больницах и состоящих из быстрых, неинвазивных миниатюрных датчиков для обнаружения широкого спектра вирусов. Кроме того, наша конструкция может использоваться для изготовления мультисенсоров — устройств, чувствительных одновременно к нескольким вирусам. В дальнейшем мы планируем модифицировать наши платформы разными узнающими элементами и расширять спектр анализируемых объектов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Пойманова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН.
В исследовании участвовали сотрудники Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины имени академика Ю.М. Лопухина ФМБА России (Москва).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Разместила: Ирина Усик