Обнаруживать отдельные молекулы и диагностировать болезнь при помощи смартфона

Биомаркеры играют центральную роль в диагностике заболевания и оценке его протекания. Среди используемых в настоящее время маркеров - гены, белки, гормоны, липиды и другие классы молекул. Их можно обнаружить в крови, спинномозговой жидкости, моче и различных типах тканей, но большинство из них имеют одну общую черту: они встречаются в чрезвычайно низких концентрациях, и поэтому технически их трудно обнаружить и количественно измерить.

Во многих процедурах обнаружения используются молекулярные зонды, такие как антитела или короткие последовательности нуклеиновых кислот, которые предназначены для связывания с конкретными биомаркерами. Когда зонд распознает цель и связывается с ней, химические или физические реакции вызывают флуоресцентные сигналы. Такие методы хорошо работают при условии, что они достаточно чувствительны, чтобы распознать соответствующий биомаркер у большого процента всех пациентов, которые несут его в своей крови. Кроме того, прежде чем такие флуоресцентные тесты могут быть использованы на практике, биомаркеры сами по себе или их сигналы должны быть усилены. Конечная цель заключается в том, чтобы медицинский скрининг мог проводиться непосредственно врачом без необходимости направлять образцы на анализ в удаленную лабораторию.

Специалисты Мюнхенского университета (Германия) разработали новый метод определения уровня биомаркеров, присутствующих в низких концентрациях. Им удалось соединить зонды из ДНК с мельчайшими частицами золота или серебра. Пары частиц ("димеры") действуют как наноразмерные молекулярные антенны, усиливающие флуоресцентные сигналы. Система работает следующим образом: взаимодействие между наночастицами и входящими световыми волнами усиливает локальные электромагнитные поля, а это, в свою очередь, приводит к существенному увеличению амплитуды флуоресценции. Таким образом можно обнаруживать, например, бактерии, содержащие гены устойчивости к антибиотикам и даже вирусы.

Информация о новой разработке была опубликована в журнале Nature Communications.

Нано-антенны на основе ДНК изучались в течение последних нескольких лет, но изготовление этих наноструктур представляет собой сложную задачу. Немецким ученым удалось более точно сконфигурировать компоненты своих нано-антенн и расположить молекулы ДНК, которые служат захватными зондами, в месте усиления сигнала. Вместе эти модификации позволяют более эффективно усиливать флуоресцентный сигнал.

Высокая степень контроля позиционирования становится возможной благодаря ДНК-нанотехнологиям, использующим структурные свойства ДНК для управления сборкой всевозможных наноразмерных объектов, причем в чрезвычайно большом количестве.

В будущем эта технология может быть использована для диагностических исследований даже в тех областях, где доступ к электричеству или лабораторному оборудованию ограничен. Ученые смогли продемонстрировать, что с помощью портативного микроскопа на базе смартфона можно обнаруживать небольшие фрагменты ДНК в сыворотке крови. Более новые смартфоны, как правило, оснащены довольно хорошими камерами. Кроме того, все, что нужно, это лазер и объектив - два легкодоступных и дешевых компонента.

Разработчики показали, что фрагменты ДНК, которые специфичны для генов устойчивости к антибиотикам у бактерий могут быть обнаружены с помощью этой установки. Но анализ мог быть легко модифицирован для обнаружения целого ряда интересных типов мишеней, таких как вирусы.