Новая платформа eRapid позволяет создавать портативные мультиплексные диагностические сенсоры

Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университете разработали новую диагностическую платформу «eRapid». Она позволяет создавать недорогие портативные электрохимические устройства, способные с высокой чувствительностью и селективностью одновременно обнаруживать широкий спектр биомаркеров в сложных биологических жидкостях (например, в капле крови). Технология описана в Nature Nanotechnology.

Решение проблемы биообрастания

Ключевым прорывом стало создание эффективного антиобрастающего покрытия для сенсоров. Проблема существующих сенсоров на основе антител — быстрое накопление «загрязняющих» веществ из биологических жидкостей на проводящих поверхностях, что деактивирует датчик.

Исследователи разработали простую, пористую 3D-матрицу из бычьего сывороточного альбумина (BSA), сшитого глутаровым альдегидом и поддерживаемого сетью проводящих наноматериалов (например, золотых нанопроволок или углеродных нанотрубок). Малый размер пор матрицы BSA исключает попадание крупных белков крови, а слабый отрицательный заряд BSA предотвращает сильную адгезию положительно заряженных биомолекул.

Результаты испытаний

• Сенсоры с новым покрытием, протестированные в человеческой сыворотке и плазме крови, сохранили более 90% способности детектировать сигнал даже после хранения в этих биожидкостях в течение одного месяца.
• Для сравнения: сенсоры с лучшими ранее опубликованными антиобрастающими покрытиями (например, «PEG-SAM») теряли чувствительность уже через один час и полностью деактивировались через один день.

Принцип работы и демонстрация

Для функционализации сенсоров к поверхности наноматериального покрытия прикрепляются антитела. Событие связывания антитела с мишенью преобразуется в химический сигнал с помощью «сэндвич-анализа», что приводит к осаждению вещества на поверхность электрода и генерации электрического сигнала. Его величина прямо коррелирует с концентрацией целевой молекулы.

Команда продемонстрировала коммерческую применимость, создав мультиплексный сенсор с тремя отдельными электродами, каждый из которых настроен на обнаружение конкретного клинически релевантного биомаркера: интерлейкина 6 (IL6), инсулина или глюкагона. В неразбавленной человеческой плазме сенсор показал отличные электрические сигналы с чувствительностью на уровне пикограмм на мл. Сенсоры с покрытием BSA/золотые нанопроволоки можно мыть и использовать повторно много раз с минимальной потерей сигнала.

Перспективы

На сегодня с помощью eRapid уже обнаружено более десятка различных биомаркеров с массой от 100 Да до 150 000 Да. Исследователи продолжают оптимизировать покрытие электродов и снижать стоимость. Платформа рассматривается для коммерциализации в сфере портативной диагностики у постели больного (point-of-care), а также для применения в больничной диагностике, мониторинге экотоксинов, детекции малых молекул и в имплантируемых медицинских устройствах.

Происхождение технологии

Изначально технология была разработана для неинвазивного мониторинга множества биомолекул, производимых клетками в микрофизиологических системах «органы-на-чипе». Необходимость в высокочувствительных мультиплексных сенсорах для малых объемов жидкости привела к созданию eRapid.