Молекулы в наших телах находятся в постоянном взаимодействии. Некоторые из этих молекул обеспечивают биохимический отпечаток пальца, который может указать, как заживает рана, работает ли лечение рака или вирус проник в организм. Если бы мы могли воспринимать эти сигналы в режиме реального времени с высокой чувствительностью, мы могли бы быстрее распознавать проблемы со здоровьем и даже отслеживать болезнь по мере ее прогрессирования.

Теперь исследователи Северо-Западного университета разработали новую технологию, которая упрощает подслушивание внутренних разговоров нашего тела.

Хотя химические сигналы тела невероятно слабые, что затрудняет их обнаружение и анализ, исследователи разработали новый метод, который усиливает сигналы более чем в 1000 раз. Транзисторы, строительный блок электроники, могут усиливать слабые сигналы, обеспечивая усиленный выходной сигнал. Новый подход упрощает обнаружение сигналов без сложной и громоздкой электроники.

Благодаря усилению слабых биохимических сигналов новый подход на один шаг приближает современную медицину к диагностике и мониторингу заболеваний на месте в режиме реального времени.

Исследование было опубликовано в субботу в журнале Nature Communications.

«Если бы мы могли надежно измерять биохимические сигналы в организме, мы могли бы включить эти датчики в носимые технологии или имплантаты, которые имеют небольшую площадь, меньше нагрузки и не требуют дорогостоящей электроники», — сказал Джонатан Ривней из Northwestern, старший автор исследования. «Но получение высококачественных сигналов остается сложной задачей. При ограниченной мощности и пространстве внутри тела вам необходимо найти способы усилить эти сигналы».

Ривней — профессор биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе. Сюйдун Цзи, научный сотрудник лаборатории Ривне, является первым автором статьи.

Хотя они передают жизненно важную информацию, которая может помочь в диагностике и лечении, многие химические датчики производят слабые сигналы. На самом деле медицинские работники часто не могут расшифровать эти сигналы, не взяв образец (кровь, пот, слюна) и не пропустив его через высокотехнологичное лабораторное оборудование. Обычно это оборудование стоит дорого и, возможно, даже находится за пределами площадки. И результаты могут занять мучительно много времени, чтобы вернуться.

Однако команда Ривне стремится ощущать и усиливать эти скрытые сигналы, даже не выходя из тела.

Другие исследователи исследовали электрохимические датчики для биосенсоров с использованием аптамеров, которые представляют собой отдельные нити ДНК, сконструированные для связывания с конкретными мишенями. После успешного связывания с интересующей мишенью аптамеры действуют как электронный переключатель, складываясь в новую структуру, которая запускает электрохимический сигнал. Но с одними аптамерами сигналы часто бывают слабыми и очень восприимчивыми к шуму и искажениям, если их не тестировать в идеальных и хорошо контролируемых условиях.

Чтобы обойти эту проблему, команда Ривная установила усиливающий компонент на традиционный датчик на основе электродов и разработала датчик на основе электрохимического транзистора с новой архитектурой, который может воспринимать и усиливать слабый биохимический сигнал. В этом новом устройстве электрод используется для восприятия сигнала, а соседний транзистор предназначен для усиления сигнала. Исследователи также включили встроенный тонкопленочный электрод сравнения, чтобы сделать усиленные сигналы более стабильными и надежными.

«Мы объединяем мощность транзистора для локального усиления с эталоном, который вы получаете с помощью хорошо зарекомендовавших себя электрохимических методов», — сказал Цзи. «Это лучшее из обоих миров, потому что мы можем стабильно измерять связывание аптамера и усиливать его на месте».

Чтобы проверить новую технологию, команда Ривнея обратилась к обычному цитокину, типу сигнального белка, который регулирует иммунный ответ и участвует в восстановлении и регенерации тканей. Измеряя концентрацию определенных цитокинов вблизи раны, исследователи могут оценить, насколько быстро рана заживает, есть ли новая инфекция или требуются ли другие медицинские вмешательства.

В серии экспериментов Ривней и его команда смогли усилить сигнал цитокинов на три-четыре порядка по сравнению с традиционными методами обнаружения аптамеров на основе электродов. Хотя технология показала хорошие результаты в экспериментах по обнаружению сигналов цитокинов, Ривней говорит, что она должна быть способна усиливать сигналы от любой молекулы или химического вещества, включая антитела, гормоны или лекарства, где в схеме обнаружения используются электрохимические репортеры.

«Этот подход широко применим и не имеет конкретного варианта использования», — сказал Ривней. «Большое видение состоит в том, чтобы реализовать нашу концепцию в имплантируемых биосенсорах или носимых устройствах, которые могут одновременно обнаруживать проблему и затем реагировать на нее».

Исследование называется «Органические электрохимические транзисторы как локальный усилитель сигнала для электрохимического зондирования на основе аптамеров».