Оптическая технология без меток устанавливает рекорд чувствительности биосенсоров

Исследователи из Университета Аризоны разработали новый метод биологического детектирования, способный обнаруживать вещества на зептомолярном уровне — невероятно малом количестве.

Такой уровень чувствительности, уже полезный для тестирования лекарств и других исследований, может сделать возможными новые открытия в фармацевтике. В перспективе это достижение может привести к созданию портативных сенсоров для обнаружения экологических токсинов или химического оружия, мониторинга качества пищи или скрининга на рак.

Статья с результатами была опубликована в журнале Nature Communications 28 августа.

Исследование возглавила Джудит Су, доцент биомедицинской инженерии и оптических наук, в сотрудничестве со Стивеном Лиггеттом из Университета Южной Флориды. Их метод использует устройство FLOWER, изобретенное Су, для обнаружения целевых соединений в зептомолярных концентрациях без необходимости в метках — флуоресцентных или радиоактивных метках, которые сейчас используются, чтобы сделать целевое соединение заметным при тестировании.

Оптическая технология без меток

Обнаружение конкретного целевого соединения в среде или проверка его реакции с конкретным белком — сложная задача. Су, главный исследователь в лаборатории Little Sensor Lab и стипендиат Craig M. Berge, отметила, что одним из текущих препятствий для биосенсинга является необходимость маркировки сенсорных соединений в самых распространенных технологиях.

FLOWER (аббревиатура от "frequency locked optical whispering evanescent resonator") работает без меток. Сенсорные вещества можно использовать в их естественном состоянии для обнаружения целевого соединения.

FLOWER, который также использовался для обнаружения болезней и токсичных газов, основан на оптической технологии. Ядро инструмента — микротороид (стеклянный бублик на круглой подставке). Его поверхность покрыта химическими соединениями, которые захватывают целевые биохимические агенты. Его обод направляет свет подобно оптическому волокну.

Свет очень специфической длины волны резонирует при прохождении через микротороид. Когда биомаркеры болезней или токсичные газы захватываются, резонансная длина волны немного смещается.

Сравнивая свет, прошедший через микротороид, со светом, идущим непосредственно от перестраиваемого лазера, и фиксируя длину волны лазера на резонансной длине волны микротороида, исследователи могут обнаруживать сверхнизкие концентрации мишеней.

Сенсинг для исследований лекарств

В экспериментах исследователи использовали G-белок-сопряженные рецепторы (GPCR) в качестве сенсорного соединения. GPCR иногда называют привратниками клеток, и они являются мишенью для 40% всех фармацевтических препаратов. Помимо регуляции клеточных функций, они действуют как сигнализаторы для клеток, что делает их важными для исследований лекарств.

Для статьи в Nature Communications исследователи изучали каппа-опиоидный рецептор.

По словам Су, поскольку FLOWER демонстрирует рекордную чувствительность в обнаружении концентраций, его потенциальное использование в фармацевтических исследованиях может изменить правила игры.

Лиггетт, старший вице-президент по исследованиям в Morsani College of Medicine, согласен с оценкой потенциала FLOWER для тестирования лекарств. Он объяснил, что ученые потенциально могут найти эффективные препараты, которые можно упустить при тестировании другими методами.

Немедленный квантовый скачок

Эта работа — захватывающий прорыв, считает Брюс Хэй, профессор биологии в Caltech. Новая методология с высокой чувствительностью без меток делает её немедленно полезной для продвинутого скрининга лекарств и других исследований.

По словам Марио Ромеро-Ортеги, заведующего кафедрой биомедицинской инженерии Университета Аризоны, сенсор FLOWER доктора Су предлагает квантовый скачок в пиковой чувствительности биосенсинга без меток. Эта технология позволит глубже понять молекулярные события в мембранах, обеспечит раннюю диагностику и улучшит здоровье человека.