Ученые достигли "святого грааля" в детекции онкомаркеров без меток: одиночные молекулы
Исследователи из Политехнического института Нью-Йоркского университета (NYU-Poly) объявили о новом прорыве. Они использовали усовершенствованную наноразмерную версию своего запатентованного биосенсора на основе микрополости для детекции одиночного белка-онкомаркера рака, масса которого составляет всего одну шестую от массы самого маленького известного вируса. Метод также обнаружил еще более мелкие молекулы, чья масса ниже массы всех известных маркеров. Это достижение устанавливает новый рекорд чувствительности и может значительно продвинуть раннюю диагностику заболеваний. В отличие от современных технологий, требующих присоединения флуоресцентной метки к антигену, новый процесс обнаруживает антиген без мешающей метки.
Профессор Стивен Арнольд и его команда опубликовали детали работы в Nano Letters.
В 2012 году команда смогла обнаружить в растворе самый маленький известный РНК-вирус, MS2, с массой 6 аттограмм. Теперь были обнаружены два белка: белок-онкомаркер человека Тиреоглобулин с массой 1 аттограмм и бычий сывороточный альбумин с массой 0.11 аттограмм. "Аттограмм — это миллионная часть миллионной части миллионной части грамма, — пояснил Арнольд. — Мы полагаем, что наш новый предел обнаружения может быть меньше 0.01 аттограмм".
Этот прорыв основан на технике, разработанной ранее. В 2012 году исследователи установили первый рекорд, обработав новый биосенсор плазмонными золотыми нанорецепторами, что усилило электрическое поле сенсора. Их целью было создание диагностического устройства, способного идентифицировать единичную вирусную частицу без специальной подготовки проб.
Тогда обнаружение одиночного белка, который феноменально меньше вируса, было обозначено как конечная цель. "Белки управляют телом, — объяснил Арнольд. — Все виды рака генерируют белковые маркеры. Тест, способный обнаружить одиночный белок, был бы самой чувствительной диагностикой из возможных".
К удивлению исследователей, изучение нанорецептора под просвечивающим электронным микроскопом показало, что его золотая поверхность покрыта случайными неровностями размером примерно с белок. Компьютерное моделирование показало, что эти неровности создают собственное высокореактивное локальное поле чувствительности, простирающееся на несколько нанометров, что усиливает возможности сенсора сверх первоначальных прогнозов. "Вирус слишком велик, чтобы это поле помогло в его обнаружении, — сказал Арнольд. — Белки имеют размер всего в несколько нанометров — как раз подходящий, чтобы зарегистрироваться в этом пространстве".
Возможность детектировать одиночный белок значима и может заложить основу для улучшения медицинской терапии. В частности, способность отслеживать сигнал в реальном времени — фактически наблюдать за обнаружением единичного белка-маркера болезни и следить за его движением — может привести к новому пониманию того, как белки присоединяются к антителам.
Арнольд назвал новый метод детекции без меток "биосенсинг в режиме шепчущей галереи", потому что световые волны в системе напомнили ему о том, как голоса отражаются в "Шепчущей галерее" под куполом собора Святого Павла в Лондоне. Лазер посылает свет через стекловолокно на детектор. Когда микросфера помещается напротив волокна, определенные длины световых волн отклоняются в сферу и отражаются внутри, создавая провал в свете, который получает детектор. Когда молекула, например онкомаркер, прикрепляется к золотой нанооболочке на микросфере, резонансная частота микросферы сдвигается на измеримую величину.