Новый биосенсор для обнаружения белков нейродегенеративных заболеваний
Исследователи EPFL, объединив несколько передовых технологий в единую систему, совершили значительный шаг вперёд в диагностике нейродегенеративных заболеваний (НДЗ), таких как болезнь Паркинсона (БП) и болезнь Альцгеймера (БА).
Новое устройство, названное сенсором ImmunoSEIRA, представляет собой биосенсорную технологию, позволяющую обнаруживать и идентифицировать неправильно свёрнутые белковые биомаркеры, связанные с НДЗ. Исследование, опубликованное в Science Advances, также использует возможности искусственного интеллекта (ИИ), применяя нейронные сети для количественной оценки стадий и прогрессирования болезни.
Этот значительный технологический прорыв открывает перспективы не только для раннего выявления и мониторинга НДЗ, но и для оценки вариантов лечения на разных стадиях прогрессирования заболевания.
Основная проблема лечения НДЗ — отсутствие эффективных методов диагностики для раннего обнаружения и отслеживания прогрессирования болезни. Неправильное сворачивание белков, общий механизм нейродегенерации, является ключевым событием в развитии заболевания.
Согласно гипотезе, здоровые белки сначала неправильно сворачиваются в олигомеры на ранних стадиях, а затем в фибриллы на более поздних стадиях болезни. Эти агрегаты неправильно свёрнутых белков циркулируют в мозге и биожидкостях, а также накапливаются в виде отложений в мозге умерших пациентов с НДЗ. Однако создание инструментов для обнаружения этих характерных признаков болезни — биомаркеров — до сих пор оставалось сложной задачей. Препятствиями для точного обнаружения являются, в частности, ограничения современных технологий в точном разделении и количественном определении различных белковых агрегатов.
Объединение нескольких передовых технологий в одном сенсоре
Для создания этого продвинутого сенсора биомаркеров НДЗ исследователи из лаборатории BIOS профессора Хатыдже Алтуг и лаборатории LMNN профессора Хилаля Лашуэля объединили несколько научных областей: биохимию белков, оптофлюидику, нанотехнологии и искусственный интеллект (ИИ).
"В отличие от современных биохимических подходов, которые основаны на измерении уровней этих молекул, наш подход сосредоточен на обнаружении их аномальных структур. Эта технология также позволяет нам различать уровни двух основных аномальных форм, участвующих в развитии и прогрессировании НДЗ — олигомеров и фибрилл", — говорит Лашуэль.
Сенсор ImmunoSEIRA использует технологию спектроскопии поверхностно-усиленного инфракрасного поглощения (SEIRA). Этот метод позволяет учёным обнаруживать и анализировать формы специфических молекул, связанных с болезнью (биомаркеров), ассоциированных с НДЗ. Сенсор оснащён уникальным иммуноанализом, который действует как молекулярный детектив, с высокой точностью идентифицируя и захватывая эти биомаркеры.
"В нашей статье мы представляем технологическое решение, которое интегрирует наноплазмонику, нанолитографию в "чистой комнате", микрофлюидику, иммуноанализ, ИИ и передовые биохимические методы", — говорит аспирантка и основной автор статьи Дисси Кавунгал. "Наш сенсор ImmunoSEIRA демонстрирует структурную чувствительность и способность мониторинга панели комплементарных биомаркеров с высокой специфичностью из малых объёмов образцов в сложных биоматрицах".
Объединение возможностей нанотехнологий и искусственного интеллекта
Сенсор ImmunoSEIRA содержит массивы золотых наностержней с антителами для специфического обнаружения белков. Он позволяет проводить специфический захват и структурный анализ целевых биомаркеров в реальном времени из чрезвычайно малых образцов. Затем используются нейронные сети, подмножество алгоритмов ИИ, для идентификации присутствия специфических неправильно свёрнутых белковых форм — олигомерных и фибриллярных агрегатов, достигая беспрецедентного уровня точности обнаружения по мере прогрессирования заболеваний.
Лашуэль считает, что это значительный прогресс в обнаружении болезней, добавляя: "Поскольку процесс заболевания тесно связан с изменениями в структуре белка, мы считаем, что структурные биомаркеры, особенно в сочетании с другими биохимическими и нейродегенеративными биомаркерами, могут проложить путь к более точной диагностике и мониторингу прогрессирования болезни".
Исследовательская группа EPFL пошла дальше, продемонстрировав, что сенсор ImmunoSEIRA можно использовать в реальных клинических условиях, то есть в биожидкостях. Им удалось точно идентифицировать специфическую сигнатуру аномальных фибрилл, ключевого показателя НДЗ, даже в сложных жидкостях, таких как человеческая спинномозговая жидкость (СМЖ).
Профессор Алтуг объясняет, что следующий шаг с этой новой технологией — "продолжить расширять её возможности и оценивать её диагностический потенциал при болезни Паркинсона и растущем числе заболеваний, вызванных неправильным сворачиванием и агрегацией белков".
Результаты этого исследования знаменуют собой значительный прогресс в областях биосенсинга, инфракрасной спектроскопии, нанофотоники и биомаркеров нейродегенеративных заболеваний. Внедрение сенсора ImmunoSEIRA с поддержкой ИИ является долгожданным достижением для раннего выявления НДЗ, мониторинга болезни и оценки эффективности лекарств, отвечая на критическую потребность в своевременном вмешательстве и лечении нейродегенеративных заболеваний.