Виявлення одиничних молекул та діагностика захворювань за допомогою смартфона

a) зображення ТЕМ структури ДНК-орігамі, що використовується для аналізу; b) схеми складання NACHOS: конструкція ДНК-орігамі, яка пов’язана з поверхнею, покритою BSA-біотином, за допомогою взаємодій біотин-нейтравідин; c) ТЕМ-зображення NACHOS із наночастинками срібла 100 нм; d) одномолекулярні перехідні процеси інтенсивності флуоресценції, виміряні конфокальною мікроскопією; е) розподіл посилення флуоресценції Alexa Fluor 647, виміряний у NACHOS із наночастинками срібла 100 нм. DOI: 10.1038 / s41467-021-21238-9

Дослідники Людвіг-Максиміліанського-Університету (LMU) у Мюнхені вказують, що світло, яке випромінює одна молекула, може бути виявлене за допомогою недорогих оптичних сенсорів і їх перший прототип може полегшити медичну діагностику.

Біомаркери відіграють центральну роль у діагностиці захворювань. Серед маркерів, що зараз використовуються, є гени, білки, гормони, ліпіди та інші класи молекул. Біомаркери можна знайти в крові, у спинномозковій рідині, сечі та різних типах тканин, але більшість із них мають одну спільну рису: вони трапляються в надзвичайно малих концентраціях, тому їх технічно складно якісно та кількісно визначити.

У багатьох процедурах виявлення використовуються молекулярні зонди, такі, як антитіла або короткі послідовності нуклеїнових кислот, які призначені для зв’язування з конкретними біомаркерами. Коли зонд розпізнає і зв’язується зі своєю мішенню, хімічні або фізичні реакції викликають флуоресцентні сигнали. Такі методи добре працюють, за умови, що вони є достатньо чутливими, щоб розпізнати відповідний біомаркер у високого відсотка пацієнтів, які містять його в крові. Крім того, перед тим, як такі тести на основі флуоресценції можуть бути використані на практиці, самі біомаркери або їх сигнали повинні бути посилені. Кінцевою метою є можливість проведення медичного обстеження безпосередньо на пацієнтах без необхідності відправляти зразки в лабораторію для аналізу.

Молекулярні антени підсилюють флуоресцентні сигнали

Філіп Тіннефельд, який завідує кафедрою фізичної хімії в LMU, розробив стратегію визначення біомаркерів у низьких концентраціях. Йому вдалося з’єднати зонди ДНК з крихітними частинками золота або срібла. Пари частинок (“димери”) діють як нано-антени, що підсилюють сигнали флуоресценції. Принцип працює наступним чином: взаємодія між наночастинками та світловими хвилями, що надходять, посилює місцеві електромагнітні поля, а це, в свою чергу, призводить до значного збільшення амплітуди флуоресценції. Таким чином можна спеціально виявити бактерії, що містять гени стійкості до антибіотиків і навіть віруси.

“Наноантени на основі ДНК вивчалися протягом останніх кількох років”, – каже Катерина Трофимчук, перша спільна авторка дослідження. Зараз дослідницькій групі Філіпа Тіннефельда вдалося точніше налаштувати компоненти їх нано-антен і розташувати молекули ДНК, які служать зондами для захоплення на місці посилення сигналу. Разом ці модифікації дозволяють більш ефективно посилювати сигнал флуоресценції.

Високий ступінь контролю стає можливим завдяки нанотехнології ДНК, яка використовує структурні властивості ДНК для керування наномасштабних об’єктів – у надзвичайно великій кількості. “В одному зразку ми можемо одночасно виробляти мільярди цих нано-антен, використовуючи процедуру, яка в основному складається з декількох змішувань розчинів разом”, – говорить Трофимчук.

 

Рутинна діагностика на смартфоні

“У майбутньому, – каже Вікторія Глембокіте, перший співавтор статті”, – наша технологія може бути використана для діагностичних тестів навіть у районах, де доступ до електрики або лабораторного обладнання обмежений. Ми показали, що ми можемо безпосередньо виявляти фрагменти ДНК у сироватці крові за допомогою портативного мікроскопа на базі смартфона, який працює на звичайному блоці живлення та USB-портом для моніторингу аналізу “. Нові смартфони, як правило, оснащені досить хорошими камерами, які можна використати для даних цілей. Окрім цього, потрібні лише лазер та лінза – два легко доступні та дешеві компоненти.

Далі вони продемонстрували, що фрагменти ДНК, які є специфічними до антибіотиків у бактеріях, можуть бути виявлені за допомогою цієї установки. Але аналіз можна легко модифікувати для виявлення цілого ряду цікавих типів мішень, таких як віруси. Тіннефельд з оптимізмом: “Минулий рік показав, що завжди є потреба у нових та інноваційних методах діагностики, і, можливо, наша технологія одного разу може сприяти розробці недорогого та надійного діагностичного тесту, який можна провести вдома”.

Джерело інформації: https://phys.org/news/2021-02-molecules-diseases-smartphone.html

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.