Биосенсор для улучшенной диагностики рака

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) разработали новый биологический сенсор, который может помочь клиницистам лучше диагностировать рак и эпилепсию.

Биосенсоры отслеживают малые молекулы, ионы и протоны и имеют жизненно важное значение для медицинской диагностики. Даже простейшие сигналы, такие как уровень внутриклеточного pH, могут предоставить важную информацию. Например, закисление опухолей из-за повышенного поглощения глюкозы и высвобождения молочной кислоты является биомаркером раковых клеток. Аналогично, закисление внеклеточной жидкости — один из ключевых процессов во время эпилептических припадков.

Однако искусственные биосенсоры имеют ограничения, такие как биосовместимость и обрастание (накопление нежелательных материалов, мешающих функции молекулы). Биологические системы эффективно защищают и разделяют жизненно важные компоненты с помощью полупроницаемых мембран, часто содержащих определённые поры и ворота для ограничения транспорта только специфическими видами.

Команда LLNL под руководством Александра Ноя создала pH-сенсор, объединив кремниевые транзисторы с нанолентами и антиобрастающим липидным бислойным покрытием, содержащим протон-проницаемые каналы из углеродных нанотрубок (CNTP). Сенсор продемонстрировал надежное определение pH в различных сложных биологических жидкостях.

"Наше устройство — это универсальная платформа для обнаружения в реальном времени, без меток и с высокой чувствительностью биомаркеров заболеваний, несовпадений ДНК и вирусов", — сказал Си Чен, первый автор статьи на обложке журнала Nano Letters. Он отметил, что биосенсор в будущем может стать имплантируемым.

Для создания pH-сенсора липидная мембрана должна включать устойчивый канал, высокопроницаемый для протонов. Команда Ноя ранее показала, что узкие CNTP диаметром 0,8 нанометра (сегменты углеродных нанотрубок длиной около 10 нм) обладают чрезвычайно высокой протонной проницаемостью, на порядок превышающей проницаемость объёмной воды. Экстремальное ограничение воды в порах нанотрубок диаметром 0,8 нм создаёт условия, благоприятствующие быстрому протонному транспорту. Малый размер пор и высокая протонная проницаемость также обеспечивают эффективную блокировку большинства загрязняющих компонентов биологических смесей.

"Во время экспериментов мы охарактеризовали способность нашего сенсора реагировать на изменения pH до и после непрерывного воздействия различными загрязняющими смесями", — сказал Ной. "Когда липидный бислой содержал каналы CNTP, pH-отклик сохранялся и демонстрировал очень мало признаков деградации".

В будущем команда может модифицировать CNTP для транспорта специфических ионов и малых молекул, блокируя другие биомолекулы. Это может превратить устройство в универсальную сенсорную технологию платформенного типа для применения в диагностике заболеваний, генетическом скрининге и открытии лекарств.