Исследователи из Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН и Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН разработали биосенсоры на структурах кремний на изоляторе, которые чувствительнее тестов на основе метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Хоть раз в жизни каждый из нас сдавал кровь и мочу на анализ или делал ПЦР-тест во время пандемии коронавируса. Обычно результатов приходится ждать от нескольких часов в частной лаборатории до недели в государственной поликлинике. Сибирские ученые разрабатывают прибор для анализа с картриджами-биосенсорами, который ускорит получение достоверного результата в несколько раз. Например, для аналога ПЦР-теста время сократится с 2—3 часов до 15 минут.

Биосенсор может использоваться для диагностики бактериальных, вирусных заболеваний и мутаций в генах. Для обнаружения нужных мишеней достаточно поместить любую предварительно очищенную биологическую жидкость (кровь, слюну, мочу, сперму) на чувствительную поверхность прибора. Если в анализируемом веществе есть нуклеиновая кислота искомых патогенов, то она взаимодействует с микропроволочными элементами на биосенсоре, и прибор покажет их содержание через графики на дисплее.

Прибор состоит из нескольких устройств. Источник питания подает напряжение к чувствительной поверхности с биоматериалом, затем регистрируется изменение силы тока, и данные в виде графиков выводятся на монитор компьютера. «Графики может проанализировать как медицинский работник — для этого достаточно базового образования, так и программа — написать ее будет несложно. Оборудование займет места не больше, чем принтер на рабочем столе», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории структурной биологии ИХБФМ СО РАН Анастасия Булгакова. В будущем учёные планируют свернуть прибор до размеров тонометра. Его можно будет использовать для быстрой диагностики заболеваний в местах оказания медицинской помощи или аэропортах.

Сама чувствительная поверхность биосенсора выглядит как небольшой чип, он сделан на основе структур кремния на изоляторе — это тонкие микропроволоки, на которые ученые пришивают определённые молекулы для диагностики нуклеиновых кислот. Над совершенствованием биосенсоров работают химики, физики, биологи и инженеры. Их цель — сделать устройство достаточно чувствительным, чтобы выявлять молекулы и соединения даже в малых количествах.

Сейчас для разработанного биосенсора продемонстрирована чувствительность на уровне атомолярных концентраций, что соответствует десяткам тысяч копий молекул ДНК в литре и является достаточным для анализа без использования технологии ПЦР. Принцип ПЦР-теста состоит в многократном увеличении копий анализируемых молекул нуклеиновой кислоты. То есть для детектирования нужно многократно «отксерокопировать» биологический материал, чтобы набрать достаточную концентрацию соединений в нем. Особенно это актуально для ДНК, так как из одного биологического образца можно выделить очень мало молекул. В случае же использования разрабатываемого биосенсора его чувствительности достаточно для анализа непосредственно в биологической пробе. Например, РНК-маркеры, ассоциированные с раком лёгких, очень короткие, их трудно обнаружить, когда заболевание только начинает прогрессировать. В таких случаях высокая чувствительность имеет то же значение, как и скорость анализа. 

Высокая чувствительность анализа с использованием биосенсора достигается благодаря нескольким факторам. Во-первых, ученые используют нанопроволоку в 200 нанометров. Это в 35 раз меньше эритроцита и в четыре тысячи раз тоньше волоса человека. За счет таких маленьких размеров проводимость проволоки изменяется даже от взаимодействия с единичными молекулами, что повышает чувствительность анализа и позволяет пропустить сам этап полимеразной цепной реакции, а еще обойтись без дорогого оборудования и дополнительной помощи специалистов. Во-вторых, была химически модифицирована сама поверхность биосенсоров. На нее присоединяют молекулы ДНК (зонды), способные взаимодействовать с анализируемой мишенью. Если эти молекулы заряжены, то возможно искажение результатов измерений. Эту проблему ученые решили, присоединив к поверхности биосенсора электронейтральный аналог нуклеиновой кислоты — он был открыт в 2014 году в лаборатории химии нуклеиновых кислот ИХБФМ.

Не только нейтральный заряд поверхности сенсора влияет на точность исследования. Метод очистки биологического материала для анализа также способен снизить или увеличить точность. Ученые из ИХБФМ предложили способ очистки — магнитную сепарацию с использованием железных наночастиц и полимера нейлон-6. Нужные для анализа нуклеиновые кислоты из биологического материала связываются с наночастицами по принципу комплементарности, а все лишние компоненты остаются в растворе. Наночастицы для очищения можно использовать несколько раз, что удешевляет очистку. Но из-за специфики процесса чип для биосенсора можно использовать до трех раз, после чего его эффективность падает на 30—40 %, поскольку он забивается реагентами. Ученые сейчас ищут способ увеличить количество использований.

Производство биосенсоров локализовано в Новосибирске. Раньше их заказывали в Великобритании, но сейчас используют чипы производства ИФП СО РАН. Есть аналогичные биосенсоры на основе графена, но кремниевые дешевле, и их производство лучше масштабируется.

Молекулы для анализа могут быть разные — маленькие и большие. Для анализа больших молекул ученые придумали пришивать сразу несколько зондов, комплементарных частице. Зонды — это частицы, которые способны присоединять анализируемые вещества. Таким образом повышается вероятность успешной сцепки молекул, что способствует более точным и надежным результатам исследований. Благодаря модификации ИХБФМ на поверхность сенсора можно пришить 12 разных зондов. Каждый зонд взаимодействует со своей уникальной молекулой и не реагирует на другие соединения, так что биосенсор может точно и быстро выявлять до 12 показателей за один раз.

Все нововведения помогли довести точность биосенсора до 90 %. Учёные надеются, что им удастся улучшить этот показатель. В будущем такие приборы могут быть размещены даже в отдалённых фельдшерских пунктах. Для проведения анализа не нужно дорогое сопутствующее оборудование и высококвалифицированный медперсонал. Внедрение в обиход использования биосенсора на основе структур кремния на изоляторе возможно по сценарию массового использования глюкометра. Если раньше для того, чтобы узнать уровень глюкозы, нужно было идти в поликлинику, сдавать кровь и ждать результат, то теперь люди, страдающие диабетом, проводят проверку самостоятельно. Так, биосенсор может быть уменьшен в размерах, и при условии, что к нему разработают понятный интерфейс, каждый пользователь сможет подключить оборудование к компьютеру и самостоятельно понять результаты исследования.

Источник: «Наука в Сибири»

Текст: Никита Григорьев, Ксения Михайлова, Елизавета Койнова, Полина Червонина