Разработка улучшенной нанодатчиковой системы для диагностики

Биомаркеры — это компоненты, которые могут присутствовать в биологических образцах и быть связаны с конкретными заболеваниями. Их анализ позволяет врачам оценивать состояние здоровья пациента или контролировать ход терапии. Обычно такие образцы требуют очистки и разбавления перед анализом в лабораториях, что является длительным процессом, требующим обученного персонала, дорогого оборудования и централизованной инфраструктуры. В периоды кризисов, например, пандемии, поток запросов на анализы может перегрузить систему здравоохранения.

Альтернативой являются устройства для диагностики у постели больного (point-of-care), например, глюкометры для диабетиков. Они компактны, автоматизированы и позволяют быстро получать результат в децентрализованных условиях. Однако их разработка сталкивается с техническими сложностями: многие биомаркеры присутствуют в образцах в крайне малых количествах, что требует создания сверхчувствительных методов детекции. Увеличение площади поверхности биосенсора для повышения чувствительности часто приводит к её быстрому загрязнению и засорению белками, что выводит датчик из строя.

Команда под руководством профессора ЧО, Юн-Кён из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук в Ульсане (Южная Корея) разработала биосенсор, используя метод создания наноструктурированных и нанопористых поверхностей. Эта комбинированная стратегия не только обеспечивает сенсору беспрецедентную чувствительность, но и делает его устойчивым к загрязнению белками.

Исследователи представили простой метод создания таких электродов, хотя ранее надежного способа их получения не существовало. Механизм основан на применении электрических импульсов к плоской золотой поверхности в присутствии хлорида натрия и поверхностно-активного вещества (ПАВ), способного образовывать мицеллы в растворе. Импульсы вызывают предпочтительную реакцию травления и повторного осаждения золота с поверхности, что приводит к росту наноструктур и формированию нанопор. Использование мицелл ПАВ критически важно, так как предотвращает диффузию травленного материала в процессе, позволяя ему повторно осаждаться.

Образованные наноструктуры обеспечивают большую площадь поверхности, что повышает чувствительность анализа. Нанопористая подложка идеально предотвращает загрязнение биологическими образцами. Сочетание этих преимуществ стало ключом к успеху стратегии, которую можно применять для прямого анализа клинических образцов плазмы.

Ученые продемонстрировали новую технологию, создав биосенсор для выявления рака предстательной железы. Электрод оказался достаточно чувствительным, чтобы различать группу больных раком и здоровых доноров, используя лишь крошечные количества образцов плазмы крови или мочи. Разбавление или предварительная обработка образцов не потребовались, что означает потенциальную применимость технологии для диагностики рака у постели больного.

Профессор Чо заявил: «Мы считаем, что эта технология необходима для будущего развития устройств point-of-care и диагностических тестов, работающих с биологическими образцами. Возможность детектировать низкие концентрации релевантных биомаркеров с высокой надежностью открывает двери для новых возможностей в диагностике рака, патогенов и других заболеваний».

Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials 17 мая 2022 года, а сопутствующая иллюстрация была выбрана для фронтисписа текущего выпуска.