Новая микрометровая пористая оболочка с беспрецедентной чувствительностью для обнаружения биомаркеров

Растущее число людей с хроническими заболеваниями и риск инфекционных болезней требуют развития быстрых и доступных методов диагностики. Эффективным решением могут стать электрохимические биосенсоры для тестирования в месте оказания медицинской помощи (POC). Однако текущие POC-технологии обычно измеряют только один биомаркер или несколько из одного класса молекул.

Измерение множества биомаркеров из разных молекулярных классов (например, РНК, антигены, антитела) дало бы более полную картину о стадии, тяжести и прогрессировании заболевания.

Ключевыми проблемами для широкого применения электрохимических сенсоров являются биообрастание (неспецифическое загрязнение поверхности электродов) и ограниченная чувствительность.

Исследователи из Института Висса при Гарвардском университете совместно с корейскими коллегами разработали новую нанокомпозитную пористую антиобрастающую оболочку толщиной 1 микрометр (диаметр бактерии), что примерно в 100 раз толще предыдущих покрытий.

Ключевые преимущества новой оболочки:

• Увеличенная толщина и инженерная пористая сеть позволяют внедрить гораздо больше зондов для обнаружения биомаркеров.
• Чувствительность сенсоров повысилась до 17 раз по сравнению с лучшими предыдущими образцами.
• Сохранены превосходные антиобрастающие свойства.

В доказательстве концепции ученые создали сенсоры, способные с высокой чувствительностью и специфичностью обнаруживать в клинических образцах три связанных с COVID-19 биомаркера: специфичную РНК SARS-CoV-2, капсидный антиген вируса и хозяйские антитела к вирусу. Результаты опубликованы в Nature Communications.

«Наше новое толстое пористое покрытие напрямую решает критические препятствия, которые в настоящее время мешают широкому использованию электрохимических сенсоров», — заявил последний автор и директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер.

Более толстое покрытие — лучшее обнаружение

В отличие от предыдущего метода, когда весь сенсорный чип погружали в раствор для формирования тонкого (~10 нм) покрытия, новая технология использует струйную печать плотной масло-в-воде эмульсии через тонкое сопло непосредственно на электроды.

После испарения масляных пузырьков на поверхности электрода остается покрытие толщиной 1 мкм, состоящее из сшитых полимерных молекул белка крови альбумина и содержащее взаимосвязанные поры и проводящие золотые нанопроволоки.

«Пористая сеть в этом нанокомпозитном покрытии значительно увеличивает поверхность, доступную для прикрепления зондов и контакта с образцом. В результате чувствительность обнаружения значительно возрастает», — пояснил первый автор работы Чон-Чан Ли.

Кроме того, печать через сопло позволяет наносить эмульсию только на рабочий электрод, обнаруживающий биомаркер, оставляя соседний электрод сравнения чистым. Это снижает неспецифический электрический шум и повышает специфичность измерений.

От COVID-19 — к будущим применениям

При тестировании с коллекцией образцов пациентов новый сенсор показал от 3.75 до 17-кратного увеличения чувствительности по сравнению с предыдущей версией, использующей ту же систему детекции, но непористое тонкое покрытие. Он также продемонстрировал 100% точность (спефичность) в различении положительных и отрицательных образцов.

«Электрохимические сенсоры с этим покрытием следующего поколения идеально подходят для мониторинга вспышек вирусов, реакции на вакцинацию и понимания корреляций между различными биомаркерами в ходе инфекций. В будущем их можно будет использовать и для других заболеваний», — отметил Чон-Чан Ли.

Новая технология открывает возможности не только для комплексной POC-диагностики, но и для создания более безопасных и функциональных имплантируемых устройств и систем мониторинга здоровья.