ДНК-сигнальные каскады — новый способ мониторинга терапии на дому
Химики из Университета Монреаля разработали «сигнальные каскады» из молекул ДНК для определения и количественной оценки концентрации различных молекул в капле крови в течение пяти минут.
Результаты, подтверждённые экспериментами на мышах, опубликованы в Journal of the American Chemical Society и могут помочь в создании устройств для мониторинга и оптимизации лечения различных заболеваний в условиях точки оказания медицинской помощи.
Исследование провела группа под руководством профессора химии Алексиса Валле-Белиза.
«Один из ключевых факторов успешного лечения различных заболеваний — обеспечение и поддержание терапевтической дозировки лекарства на протяжении всего курса. Субоптимальная концентрация снижает эффективность и обычно ведёт к резистентности, а передозировка увеличивает побочные эффекты».
Однако поддержание правильной концентрации лекарств в крови остаётся серьёзной проблемой современной медицины. Поскольку у каждого пациента свой фармакокинетический профиль, концентрация препаратов в их крови значительно различается. Например, при химиотерапии многие онкологические пациенты не получают оптимальной дозы, и существующие тесты недостаточно быстры, чтобы это выявить.
«Простые в выполнении тесты могли бы сделать терапевтический мониторинг лекарств более доступным и позволить проводить более персонализированное лечение», — отметил Венсан Де Гир, клинический биохимик из больницы Мезоннёв-Розмон.
«Подключённое решение, подобное глюкометру по портативности, доступности и точности, которое бы измеряло концентрацию препаратов в нужное время и передавало результаты непосредственно медицинской команде, обеспечило бы пациентам оптимальную дозу, максимизирующую шансы на выздоровление», — добавил он.
Принцип работы: вдохновение природой
Прорыв в технологии произошёл благодаря наблюдению за тем, как клетки обнаруживают и измеряют концентрацию молекул в окружающей среде.
«Клетки развили наноразмерные "сигнальные каскады" из биомолекул, запрограммированных взаимодействовать друг с другом для активации конкретных клеточных процессов в присутствии определённого количества внешних стимулов или молекул», — пояснила первый автор исследования, постдок Гуичи Чжу.
«Вдохновившись модульностью природных сигнальных систем и лёгкостью, с которой они могут эволюционировать для обнаружения новых мишеней, мы разработали аналогичные ДНК-сигнальные каскады, которые могут обнаруживать и количественно определять специфические молекулы путём генерации легко измеряемого электрохимического сигнала».
Принцип работы сенсоров:
- Молекула-мишень (лекарство) взаимодействует со специфичной молекулой ДНК — аптамером.
- Связываясь с мишенью, этот аптамер больше не может ингибировать другую электроактивную ДНК.
- Эта ДНК достигает поверхности электрода и генерирует электрохимический ток, который легко обнаружить с помощью недорогого считывателя.
«Большое преимущество этих ДНК-электрохимических тестов в том, что их принцип работы можно обобщить для многих различных мишеней, что позволит создавать недорогие устройства для обнаружения множества разных молекул за пять минут в кабинете врача или даже дома», — сказал Валле-Белиз.
Тестирование на мышах и перспективы
Чтобы продемонстрировать, как этот новый механизм можно адаптировать для простого домашнего теста, авторы также провели мониторинг противомалярийного препарата в реальном времени у живых мышей. Стандартные тесты для этого обычно требуют часов процедур и дорогого оборудования.
Новый механизм генерирует достаточное изменение электрического тока для измерения с помощью недорогой электроники, аналогичной используемой в домашних глюкометрах.
«Используя этот ДНК-анализ, мы смогли разработать сенсоры для множества молекул крови, даже если их концентрация иногда была в 100 000 раз ниже, чем у глюкозы», — сказал Бал-Рам Адхикари, ещё один участник исследования.