Сотрудники Института синтетических полимерных материалов имени Н.С.
Ениколопова РАН с коллегами 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.
Многоразовый аптасенсор на основе ОПТЭЗ и
трековых мембран
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.
Измерения на пробстанции
Исследователи предложили способ, позволяющий сделать
биосенсоры многоразовыми. Авторы добавили к их конструкции съёмный 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.
Массив подложек при изготовлении устройств
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.
Мембраны с напылением золота
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-трёх часов, анализ с помощью аптасенсоров длился не более 20 минут. Несмотря на более низкую
чувствительность, аптасенсоры потенциально могут использоваться для быстрого анализа состояния пациента.
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 трёх заменах мембраны на поверхности устройства.
Устройство с мембраной, крупный план на
измерениях
«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 ИСПМ РАН.
В исследовании участвовали сотрудники Московского государственного
университета им. М.В. Ломоносова, Объединённого института ядерных исследований (Дубна) и Федерального
научно-клинического центра физико-химической медицины им. академика Ю.М. Лопухина Федерального
медико-биологического агентства России (Москва).
Источник: пресс-служба РНФ.