Исследовательская группа разрабатывает наносенсор, способный обнаруживать биомаркеры с точностью до одной молекулы.

Хотя это популярное хобби для многих, рыбалка также является времяпрепровождением, полным неопределенности. Каждый раз, когда у вас есть что-то на леске, вы никогда не можете быть полностью уверены, какую рыбу вы поймали, пока не вытащите ее из воды. Точно так же ученые, «вылавливающие» биомаркеры — молекулы, чьи медицинские приложения включают сигнализацию о наличии рака — в биологических жидкостях, таких как кровь, также могут столкнуться с непредсказуемостью. Найти конкретный белковый биомаркер в пуле из тысяч — это все равно, что пытаться поймать конкретный вид рыбы в огромном океане.

К счастью, группа исследователей из Колледжа искусств и наук (A&S) Сиракузского университета, Медицинского университета SUNY Upstate, Ichor Therapeutics и Университета Кларксона разработала крошечный нанодатчик, способный обнаруживать белковые биомаркеры в образце на уровне одной молекулы . точность. Подходящее название «крючок и приманка» — крошечное белковое связующее вещество сливается с небольшим отверстием, созданным в мембране клетки, известным как нанопора, которое позволяет ионному раствору течь через него. Когда датчик распознает молекулу-мишень, ионный поток изменяется. Это изменение потока служит сигналом датчика о том, что биомаркер найден.

«Эти нанопоры оснащены крючками, которые вытягивают определенные белковые биомаркеры из раствора», — говорит Ливиу Мовиляну, профессор физики в A&S, соавтор исследования вместе с исследователем с докторской степенью Мохаммадом Ахмадом. «Быстро и точно извлекая их из раствора, мы можем лучше идентифицировать и количественно определять белковые биомаркеры , связанные с различными гематологическими злокачественными новообразованиями и солидными опухолями».

Последнее исследование команды, опубликованное в журнале Nature Communications , направлено на решение предыдущих проблем, которые существовали при распространении этой технологии. Их новые результаты сформулировали архитектуру конструкции сенсора, которая может быть применена к широкому кругу белковых мишеней.

Сочетание инновационных технологий

Впервые команда объединила технологию нанопор с технологией миметиков антител — искусственно сконструированных белковых каркасов, которые связываются и взаимодействуют с определенным биомаркером и ведут себя как антитела. Клетки внутри тела создают свои собственные антитела, которые связываются с нежелательными веществами и устраняют их. Когда дело доходит до терапии, ученые создают небольшие белки, которые проникают в клетки и стимулируют выработку антител, нацеленных на определенные патогены, такие как вирусы или бактерии.

«Исследователи проектируют каркасы, используя созданные матушкой-природой каркасы, и адаптируют их с помощью эволюционного мутагенеза, когда они сканируют миллиарды мутаций ДНК, пока не найдут те, которые сильно взаимодействуют с определенным белком», — говорит Мовиляну. «Создание высокоспецифичных технологий обнаружения белков удовлетворит эти потребности, а также ускорит открытие новых биомаркеров с потенциальными последствиями для прогрессирования патологических состояний».

По словам Мовиляну, датчик не только работает в чистом растворе, но и очень эффективен в сложных биожидкостях, таких как сыворотка крови, которые содержат многочисленные антитела.

«По сути, у вас есть очень специфический крючок, нацеленный на очень специфический белок», — объясняет он. «Поскольку сигнал кодирует именно тот белок, на который вы нацелены, этот метод не дает ложных срабатываний, что делает его практичным для биомедицинской диагностики».

Чтобы подтвердить свои выводы, команда проверила свою гипотезу, используя образец сыворотки крови. С помощью своей технологии они смогли идентифицировать и количественно определить рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), белковый биомаркер при различных видах рака. Кроме того, были проведены многочисленные калибровки датчиков с использованием других биофизических методов.

В авангарде диагностики

В то время как их документ представляет собой концептуальный прототип, Мовиляну говорит, что проект прокладывает путь для широкого применения. Например, путем интеграции датчиков в наножидкостные устройства эта технология позволит ученым одновременно тестировать множество различных биомаркеров в образце, обеспечивая фундаментальную основу для обнаружения биомаркеров в сложных биологических жидкостях.

«Будущее медицины не будет так сильно полагаться на визуализацию и биопсию при диагностике рака», — говорит Мовиляну. «Вместо этого исследователи будут использовать наносенсорную технологию, подобную той, которую мы разрабатываем в нашей лаборатории, для проверки образцов крови на наличие различных биомаркеров, связанных с различными видами рака. Это исследование имеет решающее значение для будущего прогностики, диагностики и терапии».