Биомаркеры играют центральную роль в диагностике заболевания и оценке его течения. Среди используемых в настоящее время маркеров – гены, белки, гормоны, липиды и другие классы молекул. Биомаркеры можно найти в крови, спинномозговой жидкости, моче и различных типах тканей, но у большинства из них есть одна общая черта: они встречаются в чрезвычайно низких концентрациях, и поэтому их технически сложно обнаружить и количественно оценить.

Во многих процедурах обнаружения используются молекулярные зонды, такие как антитела или короткие последовательности нуклеиновых кислот, которые предназначены для связывания со специфическими биомаркерами. Когда зонд распознает свою цель и связывается с ней, химические или физические реакции вызывают сигналы флуоресценции. Такие методы работают хорошо, если они достаточно чувствительны, чтобы распознавать соответствующий биомаркер у большого процента всех пациентов, у которых он есть в крови.

Кроме того, прежде чем такие тесты, основанные на флуоресценции, можно будет использовать на практике, сами биомаркеры или их сигналы должны быть усилены. Конечная цель – дать возможность проводить медицинский скрининг непосредственно на пациентах, без необходимости отправлять образцы в удаленную лабораторию для анализа.

Молекулярные антенны усиливают флуоресцентные сигналы. Филип Тиннефельд, заведующий кафедрой физической химии в LMU, разработал стратегию определения уровней биомаркеров, присутствующих в низких концентрациях. Ему удалось соединить зонды ДНК с крошечными частицами золота или серебра. Пары частиц («димеры») действуют как наноантенны, усиливающие сигналы флуоресценции.

Уловка работает следующим образом: взаимодействия между наночастицами и приходящими световыми волнами усиливают локальные электромагнитные поля, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению амплитуды флуоресценции. Таким образом, бактерии, содержащие гены устойчивости к антибиотикам, и даже вирусы могут быть специфически обнаружены.

«Наноантенны на основе ДНК изучаются в течение последних нескольких лет», – говорит Катерина Трофимчук, первый соавтор исследования. «Но изготовление этих наноструктур представляет проблемы». Исследовательской группе Филипа Тиннефельда теперь удалось более точно настроить компоненты своих наноантенн и расположить молекулы ДНК, которые служат зондами захвата в месте усиления сигнала. Вместе эти модификации позволяют более эффективно усиливать сигнал флуоресценции.

Кроме того, в задействованном крошечном объеме, который составляет порядка зептолитров (зептолитр равен 10-21 литру), может быть захвачено еще больше молекул.

Высокая степень управления позиционированием стала возможной благодаря нанотехнологии ДНК, которая использует структурные свойства ДНК для управления сборкой всех видов наноразмерных объектов – в чрезвычайно большом количестве. «В одном образце мы можем одновременно изготовить миллиарды этих наноантенн, используя процедуру, которая в основном состоит из пипетирования нескольких растворов вместе», – говорит Трофимчук.

Регулярная диагностика на смартфоне «В будущем, – говорит Виктория Глембоцките, также соавтор первого автора публикации, – нашу технологию можно будет использовать для диагностических тестов даже в тех областях, где доступ к электричеству или лабораторному оборудованию ограничен. Мы показали, что мы можем напрямую обнаруживать небольшие фрагменты ДНК в сыворотке крови, используя портативный микроскоп на базе смартфона, который работает от обычного USB-источника питания для мониторинга анализа »

Новые смартфоны обычно оснащены довольно хорошими камерами. Кроме того, все, что нужно, – это лазер и линза – два доступных и дешевых компонента. Исследователи LMU использовали этот базовый рецепт для создания своих прототипов.

Они продолжили демонстрацию того, что фрагменты ДНК, специфичные для генов устойчивости к антибиотикам в бактериях, могут быть обнаружены с помощью этой установки. Но анализ можно легко модифицировать для обнаружения целого ряда интересных типов мишеней, таких как вирусы. Тиннефельд настроен оптимистично: «Прошедший год показал, что всегда существует потребность в новых и инновационных методах диагностики, и, возможно, однажды наша технология сможет внести свой вклад в разработку недорогого и надежного диагностического теста, который можно будет проводить дома».