Прорыв в нанотехнологиях может значительно улучшить медицинские тесты

Иммуноферментный анализ (ELISA), стандартный лабораторный тест для обнаружения заболеваний и биологических исследований, может стать более чем в 3 миллиона раз чувствительнее благодаря сочетанию стандартных биологических инструментов с прорывом в нанотехнологиях.

Это увеличение производительности может значительно улучшить раннее выявление рака, болезни Альцгеймера и других расстройств, позволяя врачам обнаруживать гораздо более низкие концентрации биомаркеров, чем это было возможно ранее.

Прорыв касается обычного иммуноанализа, который имитирует действие иммунной системы для обнаружения биомаркеров – химических веществ, связанных с заболеваниями. Присутствие биомаркеров в образцах (например, взятых у человека) вызывает флуоресцентное свечение, которое измеряется в лаборатории. Чем больше свечение, тем больше биомаркера присутствует. Однако если количество биомаркера слишком мало, флуоресцентный свет слишком слаб для обнаружения, что определяет предел обнаружения.

Исследователи из Принстона преодолели это ограничение, используя нанотехнологии для значительного усиления слабой флуоресценции образца. Создав структуры из стекла и золота настолько маленькие, что их можно увидеть только с помощью мощного электронного микроскопа, ученые смогли резко увеличить флуоресцентный сигнал по сравнению с обычными иммуноанализами. Это привело к 3-миллионократному улучшению предела обнаружения. То есть, усовершенствованному иммуноанализу потребуется в 3 миллиона раз меньше биомаркеров по сравнению с обычным. (В технических терминах исследователи измерили улучшение предела обнаружения с 0.9 наномоляр (nM) до 300 аттомоляр (aM).)

"Это достижение открывает множество новых и захватывающих возможностей для иммуноанализов и других детекторов, а также для раннего обнаружения и лечения заболеваний", — сказал Стивен Чоу, руководивший исследованием. "Более того, новый анализ очень прост в использовании, поскольку для человека, проводящего тест, не будет никакой разницы со старым — процедура выполняется точно так же".

Ключом к прорыву стал новый искусственный наноматериал под названием D2PA, который разрабатывается в лаборатории Чоу в течение нескольких лет. D2PA — это тонкий слой наноструктур золота, окруженных стеклянными столбиками диаметром всего 60 нанометров. Столбики расположены на расстоянии 200 нанометров друг от друга и увенчаны диском из золота. Бока каждого столбика покрыты еще более мелкими золотыми точками диаметром около 10–15 нанометров. Эта уникальная структура усиливает сбор и передачу света, демонстрируя теперь гигантское усиление сигнала с флуоресценцией.

В типичном иммуноанализе образец (кровь, слюна или моча) добавляется в небольшие стеклянные флаконы с антителами, предназначенными для "захвата" целевых биомаркеров. Затем добавляется другой набор антител, помеченных флуоресцентной молекулой. Если биомаркеры отсутствуют, флуоресцентные детектирующие антитела не присоединяются и смываются. Новая технология позволяет увидеть флуоресценцию, даже когда очень немногие антитела находят свою цель.

Помимо диагностики, иммуноанализы широко используются в разработке лекарств и биологических исследованиях. Более того, флуоресценция играет важную роль в других областях химии и техники, от светоизлучающих дисплеев до солнечной энергетики, и материал D2PA может найти применение в этих областях.

В качестве следующих шагов Чоу проводит тесты для сравнения чувствительности иммуноанализа, усиленного D2PA, с обычным иммуноанализом в обнаружении рака молочной железы и простаты. Кроме того, он сотрудничает с исследователями из Онкологического центра Memorial Sloan-Kettering в Нью-Йорке для разработки тестов по обнаружению белков, связанных с болезнью Альцгеймера, на очень ранней стадии.

"С нашим подходом можно добиться очень раннего обнаружения", — сказал он.

Детали публикации и финансирования:

• Результаты опубликованы в двух статьях: в журнале Nanotechnology (10 мая) и Analytical Chemistry (20 апреля).
• Авторы: Стивен Чоу, постдоки Weihua Zhang, Liangcheng Zhou, Jonathan Hu и аспиранты Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li, Yuxuan Wang.
• Работа финансировалась Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Национальным научным фондом (NSF).