UC Riverside zinātnieki ir izstrādājuši uz nanoporām balstītu rīku, kas varētu palīdzēt diagnosticēt slimības daudz ātrāk un precīzāk, nekā pieļauj pašreizējie testi, uztverot signālus no atsevišķām molekulām.
Tā kā molekulas, kuras zinātnieki vēlas atklāt — parasti noteiktas DNS vai olbaltumvielu molekulas — ir aptuveni viena miljardo daļu no metra platas, to radītie elektriskie signāli ir ļoti mazi, un tiem ir nepieciešami specializēti noteikšanas instrumenti.
“Šobrīd jums ir nepieciešami miljoniem molekulu, lai atklātu slimības. Mēs parādām, ka ir iespējams iegūt noderīgus datus tikai no vienas molekulas, ”sacīja Kevins Frīdmens, UCR bioinženierijas docents un vadošais autors darbam par Nature Nanotechnology rīku. “Šis jutīguma līmenis varētu reāli mainīt slimību diagnostiku.”
Frīdmena laboratorijas mērķis ir izveidot elektroniskus detektorus, kas darbojas kā neironi smadzenēs un var saglabāt atmiņas: īpaši atmiņas par to, kuras molekulas iepriekš ir izgājušas caur sensoru. Lai to izdarītu, UCR zinātnieki izstrādāja jaunu ķēdes modeli, kas ņem vērā nelielas izmaiņas sensora darbībā.
Viņu ķēdes pamatā ir nanopora — niecīga atvere, caur kuru molekulas iziet pa vienai. Bioloģiskie paraugi tiek ielādēti ķēdē kopā ar sāļiem, kas sadalās jonos.
Ja proteīna vai DNS molekulas no parauga iziet cauri porām, tas samazina jonu plūsmu, kas var iziet. “Mūsu detektors mēra plūsmas samazināšanos, ko izraisa proteīns vai DNS daļa, kas iet cauri un bloķē jonu pāreju,” sacīja Frīdmens.
Lai analizētu jonu ģenerētos elektriskos signālus, Frīdmens ierosina, sistēmai jāņem vērā iespējamība, ka dažas molekulas var netikt atklātas, kad tās iziet cauri nanoporai.
Šis atklājums atšķiras ar to, ka nanopora nav tikai sensors, bet pati darbojas kā filtrs, samazinot fona troksni no citām parauga molekulām, kas varētu aizēnot kritiskos signālus.
Kā nanoporu bāzes sensori varētu pārveidot diagnostiku
Tradicionālajiem sensoriem ir nepieciešami ārēji filtri, lai noņemtu nevēlamus signālus, un šie filtri var nejauši noņemt vērtīgu informāciju no paraugiem. Frīdmena pieeja nodrošina katras molekulas signāla saglabāšanu, palielinot diagnostikas lietojumu precizitāti.
Frīdmens paredz, ka ierīce tiks izmantota, lai izstrādātu nelielu, pārnēsājamu diagnostikas komplektu, kas nav lielāks par USB disku, kas varētu atklāt infekcijas agrīnā stadijā. Lai gan mūsdienu testi var nereģistrēt infekcijas vairākas dienas pēc iedarbības, nanoporu sensori varētu atklāt infekcijas 24 līdz 48 stundu laikā. Šī iespēja sniegtu ievērojamu priekšrocību ātri izplatošām slimībām, ļaujot veikt agrāku iejaukšanos un ārstēšanu.
“Nanoporas piedāvā veidu, kā inficēties ātrāk – pirms simptomu parādīšanās un pirms slimības izplatīšanās,” sacīja Frīdmens. “Šāds rīks varētu padarīt agrīnu diagnostiku daudz praktiskāku gan vīrusu infekcijām, gan hroniskām slimībām.”
Papildus diagnostikai ierīce sola veicināt olbaltumvielu izpēti. Olbaltumvielām ir būtiska loma šūnās, un pat nelielas izmaiņas to struktūrā var ietekmēt veselību. Pašreizējiem diagnostikas rīkiem ir grūti noteikt atšķirību starp veseliem un slimību izraisošiem proteīniem to līdzību dēļ. Tomēr nanoporu ierīce var izmērīt smalkas atšķirības starp atsevišķiem proteīniem, kas varētu palīdzēt ārstiem izstrādāt personalizētāku ārstēšanu.
Pētījums arī tuvina zinātniekus vienas molekulas olbaltumvielu sekvencēšanas sasniegšanai, kas ir ilgi meklētais mērķis bioloģijā. Lai gan DNS sekvencēšana atklāj ģenētiskas instrukcijas, olbaltumvielu sekvencēšana sniedz ieskatu par to, kā šīs instrukcijas tiek izteiktas un modificētas reāllaikā. Šī dziļāka izpratne varētu novest pie agrākas slimību atklāšanas un precīzākas terapijas, kas pielāgota katram pacientam.
“Ir liels impulss olbaltumvielu sekvencēšanas izstrādei, jo tas sniegs mums ieskatu, ko mēs nevaram iegūt tikai no DNS,” sacīja Frīdmens. “Nanoporas ļauj mums pētīt olbaltumvielas tādos veidos, kas iepriekš nebija iespējami.”
Nanoporas ir galvenās finansētās pētniecības dotācijas, ko Frīdmenam piešķīra Nacionālais cilvēka genoma pētniecības institūts, kurā viņa komanda mēģinās sekvencēt atsevišķus proteīnus. Šis darbs balstās uz Frīdmena iepriekšējiem pētījumiem par nanoporu izmantošanas uzlabošanu molekulu, vīrusu un citu nanomēroga vienību uztveršanai. Viņš uzskata, ka šie sasniegumi liecina par to, kā molekulārā diagnostika un bioloģiskie pētījumi var mainīties nākotnē.
“Joprojām ir daudz ko uzzināt par molekulām, kas virza veselību un slimības,” sacīja Frīdmens. “Šis rīks mūs virza soli tuvāk personalizētajai medicīnai.”
Frīdmens sagaida, ka nanoporu tehnoloģija drīz kļūs par standarta līdzekli gan pētniecības, gan veselības aprūpes rīkos. Tā kā ierīces kļūst pieejamākas un pieejamākas, tās varētu atrast vietu ikdienas diagnostikas komplektos, ko izmanto mājās vai klīnikās.
“Esmu pārliecināts, ka nanoporas kļūs par ikdienas dzīves sastāvdaļu,” sacīja Frīdmens. “Šis atklājums varētu mainīt to, kā mēs tos izmantosim, virzoties uz priekšu.”
Par UC Riverside
Kalifornijas Universitāte Riversaidā ir doktorantūras pētniecības universitāte, dzīva laboratorija revolucionārai Dienvidkalifornijas iekšējai daļai, štatam un kopienām visā pasaulē būtisku problēmu izpētei. Atspoguļojot Kalifornijas daudzveidīgo kultūru, UCR uzņem vairāk nekā 26 000 studentu. 2013. gadā universitātes pilsētiņā tika atvērta medicīnas skola, un tā ir sasniegusi Košellas ielejas sirdi, izmantojot UCR Palm Desert Center. Universitātes ikgadējā ietekme uz ASV ekonomiku ir vairāk nekā 2,7 miljardi USD. Lai uzzinātu vairāk, apmeklējiet vietni www.ucr.edu.
