Новый подход для быстрого и экономичного обнаружения патогенов
Исследовательская группа под руководством доктора Ларисы Барабан из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) разрабатывает миниатюрные биосенсорные системы с использованием наноматериалов для определения биомолекул-маркеров заболеваний.
В текущей публикации в Biosensors and Bioelectronics описан портативный тест-система размером с ладонь, способная одновременно проводить до 32 анализов одного образца.
Один из изучаемых вариантов — обнаружение с помощью полевых транзисторов (FET). Принцип работы: заданный электрический ток течёт от точки A к B. Этот ток регулируется электрическим потенциалом на поверхности затвора, который действует как точный клапан.
Болезнетворные биомолекулы связываются с поверхностью затвора, изменяя электрический потенциал и, следовательно, ток. Изменение тока означает обнаружение целевых молекул на поверхности сенсора. Разные патогены (например, раковые клетки и вирус гриппа) вызывают разные токи.
Разработка многоразовых транзисторов
Ключевой недостаток традиционных FET-биосенсоров — одноразовость тестовой поверхности, требующая утилизации всего транзистора после каждого измерения, что дорого и вредно для экологии.
Команда пошла дальше, решив измерять изменения потенциала не на поверхности самого транзистора, а на отдельном электроде, подключённом к затвору. Это позволяет использовать транзистор многократно. Такой электрод назвали «расширенным затвором» — расширением тест-системы.
Учёные разработали расширенные затворы с 32 тестовыми площадками. Это означает, что один образец можно одновременно тестировать на каждой площадке на разные патогены.
Работоспособность принципа была продемонстрирована на примере интерлейкина-6 (IL-6) — молекулы, отвечающей за коммуникацию иммунных клеток. Концентрация IL-6 меняется при различных заболеваниях (от простуды до рака) и их стадиях, что делает его подходящим маркером.
Наночастицы для повышения чувствительности
Для увеличения чувствительности метода команда Барабан использовала наноструктуры. Наночастицы концентрируют или локализуют заряд, усиливая сигнал напряжения.
«Чувствительность тестов значительно выше, чем при работе без наночастиц». Учёные HZDR в настоящее время работают с золотыми наночастицами, но планируют изучать и другие.
В результате создана функциональная портативная тест-система из транзистора и тридцати двух тестовых площадок, способная за короткое время обнаруживать различные патогены.
В будущем такая система могла бы использоваться для мониторинга прогресса иммунотерапии у онкологических пациентов или для прогнозирования тяжести и течения вирусных заболеваний (грипп, COVID-19) на самом раннем этапе.
По сравнению с существующими технологиями новая система более экономична и быстра. Команда надеется на коммерческий интерес к разработке.