Улучшение медицинской диагностики с помощью «нанопереключателей» на основе ДНК
Инженерные нити ДНК — наноразмерные инструменты, называемые «нанопереключателями» — могут стать ключом к созданию более быстрых, простых, дешёвых и чувствительных тестов. Они способны обеспечить высокоточное обнаружение биомаркеров, указывающих на наличие различных заболеваний, штаммов вирусов и даже таких тонких генетических вариаций, как мутация в одном гене.
«Одним из критически важных применений как в фундаментальных исследованиях, так и в клинической практике является обнаружение биомаркеров в нашем организме, которые несут жизненно важную информацию о нашем текущем здоровье, — говорит Уэсли Вонг, PhD. — Однако современные методы, как правило, являются либо дешёвыми и простыми, либо высокочувствительными, но обычно не совмещают оба качества».
Поэтому Вонг и его команда адаптировали свою технологию ДНК-нанопереключателей — ранее продемонстрировавшую пользу в открытии лекарств и измерении биохимических взаимодействий — в новую платформу. Они назвали её нанопереключатель-связанный иммуносорбентный анализ (NLISA) для быстрого, чувствительного и специфичного обнаружения белков. Отчёт об этом был опубликован на этой неделе в новой статье в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Это подход "лучшее из обоих миров"», — говорит Вонг, старший автор статьи. По его словам, эта технология может воплотиться в лабораторные тесты и тесты у постели больного, которые будут такими же доступными и простыми в использовании, как домашние тесты на беременность, но при этом гораздо более чувствительными и точными.
Как работает NLISA
Платформа NLISA использует процесс гель-электрофореза для скрининга синтезированных одноцепочечных ДНК-«реагентов», которые меняют свою форму в присутствии конкретного биомаркера.
- Они начинаются как длинные линейные нити ДНК, но «украшены» белками, которые связываются с соответствующим белковым биомаркером.
- При контакте с этим биомаркером белки связываются с ним, заставляя нить ДНК изгибаться в петлю.
В сочетании с гель-электрофорезом это изменение формы позволяет очень легко определить, присутствует ли искомый биомаркер. При гель-электрофорезе электрическое поле протягивает молекулы через пористый гель. Линейные ДНК-нанопереключатели движутся через поры геля намного быстрее, в то время как активированные петлевые нанопереключатели движутся гораздо медленнее из-за своей более громоздкой формы.
«Проще говоря, расстояние, которое нанопереключатели проходят в геле, указывает на присутствие или отсутствие биомаркера», — говорит первый автор статьи Клинтон Хансен, PhD.
Доказательство концепции
Например, простат-специфический антиген (PSA) — это маркер сыворотки крови, используемый для тестирования мужчин на рак простаты. Чтобы продемонстрировать свою систему NLISA, команда Вонга добавила в образцы сыворотки крови различные уровни PSA. Затем, смешав реагенты-нанопереключатели для PSA с образцами сыворотки, они провели гель-электрофорез смеси. Команда смогла обнаружить присутствие PSA с более высокой чувствительностью в меньшем объёме, чем с помощью сопоставимых анализов.
Кроме того, в ходе другой демонстрации команда Вонга показала, что их платформа NLISA может различать высокосхожие вирусные штаммы лихорадки Денге за 45 минут или менее.
«Запуская гель, мы воздействуем на нанопереключатели электрическим полем, чтобы снизить количество ложноположительных результатов, используя процесс, называемый "кинетической проверкой", — объясняет Вонг. — Хотя схожие белки — например, родственные вирусные штаммы — могут изначально "переключать" нанопереключатели в петли, эти близкие, но не идеальные связи могут разрываться, оставляя только истинно положительные результаты. Это позволяет нам различать вирусные штаммы, которые могут отличаться даже всего одной генной мутацией».
Платформа NLISA имеет потенциал стать стандартом для обнаружения белков и может быть даже разработана в портативное, ручное устройство для клинического использования.