Ученые разработали мощный световой сенсор, способный обнаруживать в крови сверхмалые количества биомаркеров рака. Это инновационное устройство в будущем может позволить врачам выявлять ранние признаки онкологических и других заболеваний с помощью обычного анализа крови.
Биомаркеры – это особые молекулы, такие как белки или фрагменты ДНК, которые могут сигнализировать о наличии рака, стадии его развития или риске возникновения. Основная трудность заключается в том, что на самых ранних стадиях болезни концентрация этих маркеров чрезвычайно низка, и существующие методы не всегда способны их зафиксировать. Новый подход решает эту проблему, предлагая технологию прямого обнаружения без необходимости химического усиления сигнала, что делает анализ быстрее, проще и дешевле.
«Наш сенсор объединяет наноструктуры из ДНК, квантовые точки и технологию редактирования генов CRISPR для обнаружения слабых сигналов от биомаркеров», – говорит руководитель исследовательской группы Хань Чжан из Шэньчжэньского университета в Китае. В основе метода лежит оптический процесс, известный как генерация второй гармоники. Свет, попадающий на сенсор, преобразуется в излучение с вдвое меньшей длиной волны, что позволяет получить очень чистый и четкий сигнал практически без фонового шума.
Конструкция сенсора представляет собой сложную наносистему. На поверхности двухмерного полупроводника – дисульфида молибдена – размещаются пирамидальные наноструктуры, полностью состоящие из ДНК. Эти ДНК-тетраэдры удерживают на строго определенном расстоянии квантовые точки – крошечные кристаллы, которые усиливают оптический сигнал. За распознавание конкретного биомаркера отвечает система CRISPR–Cas. Когда белок Cas12a находит свою цель, он разрезает нити ДНК, удерживающие квантовые точки. Это действие приводит к резкому и измеряемому падению оптического сигнала, что и свидетельствует о присутствии искомой молекулы.
В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Optica, команда ученых протестировала устройство на образцах сыворотки крови пациентов с раком легких. Сенсор смог обнаружить биомаркер miR-21 даже при его суб-аттомолярной концентрации – когда в образце присутствовало всего несколько молекул. Система также продемонстрировала высокую специфичность, игнорируя другие похожие РНК и реагируя только на целевой маркер рака легких.
По словам разработчиков, такой подход может совершить революцию в ранней диагностике, позволяя проводить скрининг на рак легких еще до того, как опухоль станет видна на КТ. Кроме того, программируемость платформы открывает возможности для ее адаптации к выявлению вирусов, бактерий, токсинов и маркеров других заболеваний, например, болезни Альцгеймера. Следующим шагом исследователи видят создание портативной версии устройства, которую можно было бы использовать непосредственно у постели больного, в клиниках или удаленных районах с ограниченным доступом к медицинским ресурсам.
