Обнаружение болезни по одной молекуле: Нанотрубочные сенсоры могут изменить диагностику
Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали инструмент на основе нанопор, который может помочь диагностировать заболевания гораздо быстрее и с большей точностью, чем современные тесты, улавливая сигналы от отдельных молекул.
Поскольку молекулы, которые ученые хотят обнаружить — как правило, определенные молекулы ДНК или белка — имеют ширину примерно в одну миллиардную метра, производимые ими электрические сигналы очень малы и требуют специализированных приборов для обнаружения.
«Сейчас для обнаружения болезней нужны миллионы молекул. Мы показываем, что можно получить полезные данные всего от одной молекулы», — сказал Кевин Фридман, доцент биоинженерии в UCR и ведущий автор статьи об инструменте, опубликованной в Nature Nanotechnology. «Такой уровень чувствительности может реально изменить диагностику заболеваний».
Лаборатория Фридмана стремится создать электронные детекторы, которые ведут себя как нейроны в мозге и могут сохранять воспоминания: конкретно, воспоминания о том, какие молекулы ранее прошли через сенсор. Для этого ученые UCR разработали новую модель схемы, которая учитывает небольшие изменения в поведении сенсора.
В основе их схемы лежит нанопора — крошечное отверстие, через которое молекулы проходят по одной. Биологические образцы вместе с солями, которые диссоциируют на ионы, загружаются в схему.
Если молекулы белка или ДНК из образца проходят через пору, это уменьшает поток ионов, которые могут пройти.
«Наш детектор измеряет уменьшение потока, вызванное прохождением белка или фрагмента ДНК и блокировкой прохождения ионов», — сказал Фридман.
Для анализа электрических сигналов, генерируемых ионами, системе необходимо учитывать вероятность того, что некоторые молекулы могут не быть обнаружены при прохождении через нанопору. Отличие этого открытия в том, что нанопора является не просто сенсором, но сама действует как фильтр, снижая фоновый шум от других молекул в образце, который может замаскировать критически важные сигналы.
Традиционные сенсоры требуют внешних фильтров для удаления нежелательных сигналов, и эти фильтры могут случайно удалить ценную информацию из образцов. Подход Фридмана гарантирует, что сигнал каждой молекулы сохраняется, повышая точность для диагностических применений.
Фридман представляет, что устройство будет использоваться для создания небольшого портативного диагностического набора — размером не больше USB-накопителя, — который мог бы обнаруживать инфекции на самых ранних стадиях. В то время как современные тесты могут не регистрировать инфекции в течение нескольких дней после заражения, нанопоровые сенсоры могли бы обнаруживать инфекции в течение 24–48 часов. Эта возможность даст значительное преимущество для быстро распространяющихся заболеваний, позволяя проводить более раннее вмешательство и лечение.
«Нанопоры предлагают способ выявлять инфекции раньше — до появления симптомов и до распространения болезни», — сказал Фридман. «Такой инструмент может сделать раннюю диагностику гораздо более практичной как для вирусных инфекций, так и для хронических состояний».
Помимо диагностики, устройство перспективно для продвижения исследований белков. Белки выполняют важнейшие роли в клетках, и даже небольшие изменения в их структуре могут влиять на здоровье. Современные диагностические инструменты с трудом различают здоровые и вызывающие болезни белки из-за их сходства. Однако нанопоровое устройство может измерять тонкие различия между отдельными белками, что может помочь врачам разрабатывать более персонализированные методы лечения.
Исследование также приближает ученых к достижению секвенирования белка на уровне одной молекулы — давней цели в биологии. В то время как секвенирование ДНК раскрывает генетические инструкции, секвенирование белка дает представление о том, как эти инструкции выражаются и модифицируются в реальном времени. Это более глубокое понимание может привести к более раннему обнаружению заболеваний и более точной терапии, адаптированной для каждого пациента.
«Есть большой импульс в развитии секвенирования белков, потому что это даст нам понимание, недоступное только по ДНК», — сказал Фридман. «Нанопоры позволяют нам изучать белки способами, которые раньше были невозможны».
Нанопоры являются фокусом усилий, в рамках которых команда Фридмана попытается секвенировать отдельные белки. Эта работа основана на его предыдущих исследованиях по совершенствованию использования нанопор для детектирования молекул, вирусов и других наноразмерных объектов. Он видит в этих достижениях признак того, как молекулярная диагностика и биологические исследования могут измениться в будущем.
«Еще многое предстоит узнать о молекулах, управляющих здоровьем и болезнью», — сказал Фридман. «Этот инструмент приближает нас на один шаг к персонализированной медицине».
Фридман ожидает, что нанопоровая технология вскоре станет стандартной функцией как в исследовательских, так и в медицинских инструментах. По мере того, как устройства станут более доступными по цене, они могут найти место в повседневных диагностических наборах, используемых дома или в клиниках.
«Я уверен, что нанопоры станут частью повседневной жизни», — сказал Фридман. «Это открытие может изменить то, как мы будем использовать их в будущем».