Biologiczny nanosensor wykrywający śladowe ilości substancji

Naukowcy z Wielkiej Brytanii i Hiszpanii skonstruowali biologiczny nanosensor pozwalający wykrywać substancje o stężeniach około miliard razy mniejszych w porównaniu z testami diagnostycznymi wykonywanymi obecnie w szpitalach. Jego zastosowanie może przyczynić się do identyfikacji chorób w ich wczesnych stadiach rozwoju, czyli wówczas, gdy w większości przypadków są one łatwiejsze do wyleczenia.

Konwencjonalne biosensory generują sygnały o intensywności wprost proporcjonalnej do stężenia wykrywanych substancji. Oznacza to, że w przypadku bardzo niskiej koncentracji badanej substancji, czułość tych urządzeń ulega znacznemu zmniejszeniu, czego konsekwencją jest wzrost ich podatności na zakłócenia związane z obecnością innych cząsteczek. W przypadku biomarkerów chorobowych, takich jak antygeny nowotworowe, zdolność do wykrycia nawet ich śladowej ilości jest niezwykle cenną i pożądaną właściwością. Czujnik opracowany przez Molly Stevens i jej współpracowników z Imperial College London oraz University of Vigo w Hiszpanii, jest zdolny wykrywać cząsteczki o stężeniach co najmniej dziesięciokrotnie mniejszych, niż jakiekolwiek obecnie istniejące testy!

Złote nanogwiazdki – źródło plazmonów powierzchniowych

Nanosensor skonstruowany przez grupę Stevens składa się z maleńkich złotych gwiazdek (tzw. nanogwiazdek) o średnicach wynoszących w przybliżeniu 50 nanometrów. Każda z takich gwiazdek jest źródłem plazmonów powierzchniowych, czyli kolektywnych drgań elektronów przewodnictwa występujących na powierzchni metalu. Powierzchnia nanogwiazdek została dodatkowo pokryta oksydazą glukozową (GOx) (ang. glucose oxidase) – enzymem działającym jako biokatalizator, którego zadaniem było zmniejszanie ilości jonów srebra w roztworze. Przy niskich stężeniach GOx, atomy srebra osadzały się na złotych gwiazdkach tworząc na ich powierzchni srebrną powłokę (zobacz: lewa część rysunku) wpływającą na przesunięcie częstotliwości rezonansowej plazmonów powierzchniowych w kierunku wyższych częstotliwości (tzw. przesunięcie ku niebieskiemu). Zastosowanie wyższych stężeń GOx powodowało szybszą krystalizację srebra na powierzchni nanogwiazdek (powłoka nie ulegała tworzeniu) wywierając znacznie mniejszy wpływ na rezonans plazmonów (zobacz: prawa część rysunku).

Miliard razy większa czułość

Pomiar częstotliwości rezonansowej odbywał się z zastosowaniem światła z obszaru widzialnego oraz bliskiej podczerwieni, emitowanego w kierunku nanogwiazdek i poszukiwaniu takiej częstotliwości światła, dla której wartość absorbancji będzie największa. Pomiar częstotliwości przed i po wprowadzeniu GOx do układu nanogwiazdek pozwalał w sposób niezwykle dokładny określić jego koncentrację. Kolejnym krokiem było użycie nanosensora do pomiaru stężenia biologicznego wybranej substancji – w tym przypadku biomarkera raka prostaty określanego mianem antygenu specyficznego dla gruczołu krokowego (PSA) (ang. prostate specific antibody).

Aby tego dokonać, badacze pokryli powierzchnię złotych nanocząstek przeciwciałem „wychwytującym” PSA z roztworu a następnie przeciwciałem, związanym z GOX, wiążącym PSA na powierzchni złotych gwiazdek. Obecność GOX inicjowała redukcję cząsteczek srebra wpływając na zmianę rezonansu plazmonów powierzchniowych, która była następnie mierzona. Używając tej techniki, grupa Stevens była w stanie wykrywać PSA o stężeniach wynoszących nawet 10^-18 g/ml, czyli około miliard razy mniejszych w porównaniu z testami immunoenzymatycznymi ELISA (ang. enzyme-linked immunosorbent test) powszechnie stosowanymi w szpitalach.

Urządzenie to wywarło bardzo pozytywne wrażenie na Davidzie Duffym, kierowniku działu badawczego w Quanterix – przedsiębiorstwu rozwijającego technologie detekcji pojedynczych cząsteczek białka. „Zasada działania tego nanosensora różni się znacząco od pozostałych urządzeń tego typu”, powiedział.

Rozwój diagnostyki chorób nowotworowych

Wykrywanie nawet niewielkich ilości PSA jest bardzo istotne z punktu klinicznego, ponieważ w organizmie pacjentów poddanych operacji raka prostaty, PSA nie powinno się już więcej pojawić – chyba, że nowotwór uległ rozprzestrzenieniu albo chirurg nie usunął w całości zakażonej tkanki. „Tak bardzo niskie stężenia PSA nigdy wcześniej nie były wykrywane, tak więc do tej pory diagnostyka chorób nowotworowych była mocno ograniczona. Pacjenci nie wiedzieli, czy operacja, której zostali poddani, była na tyle skuteczna, że PSA nie było już dłużej obecne w ich organizmach”, wyjaśnił Duffy.

Do tej pory naukowcy wykorzystywali nanosensor do wykrywania biomarkera PSA, jednak zdaniem Stevens „jesteśmy przekonani, że nasze urządzenie może być dostosowane do identyfikacji wielu innych chorób w ich wczesnym stadium.” Szczególnie interesującym wydaje się możliwość wykrywania białka p24, którego obecność w organizmie człowieka wiąże się z zakażeniem wirusem HIV.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com