Ученые Университета Нотр-Дама разработали автоматизированное устройство, способное диагностировать глиобластому – быстрорастущий и неизлечимый рак мозга – менее чем за час. В среднем пациент с глиобластомой может прожить 12-18 месяцев после постановки диагноза.
Суть диагностики заключается в биочипе, который использует электрокинетическую технологию для обнаружения биомаркеров, или активных рецепторов эпидермального фактора роста (EGFR), которые сверхэкспрессируются при некоторых видах рака, таких как глиобластома, и содержатся во внеклеточных везикулах.
«Внеклеточные везикулы или экзосомы – это уникальные наночастицы, выделяемые клетками. Они большие – в 10-50 раз больше молекулы – и имеют слабый заряд. Наша технология была разработана для этих наночастиц с использованием их особенностей», – говорит Хсуэ-Чиа Чанг, профессор факультета химической и биомолекулярной инженерии в Нотр-Даме и ведущий автор исследования, опубликованного в Communications Biology.
Перед учеными стояла двойная задача: разработать процесс, позволяющий различать активные и неактивные EGFR, и создать диагностическую технологию, которая была бы чувствительной и в то же время избирательной в обнаружении активных EGFR на внеклеточных везикулах из образцов крови.
Для этого исследователи создали биочип, в котором используется недорогой электрокинетический сенсор размером с шарик шариковой ручки. Благодаря размеру внеклеточных везикул антитела на сенсоре могут образовывать множество связей с одной и той же внеклеточной везикулой. Этот метод значительно повышает чувствительность и селективность диагностики.
Затем синтетические наночастицы диоксида кремния «сообщают» о наличии активных EGFR на захваченных внеклеточных везикулах, неся при этом высокий отрицательный заряд. При наличии внеклеточных везикул с активными EGFR наблюдается сдвиг напряжения, указывающий на наличие глиобластомы у пациента.
Такая стратегия определения заряда сводит к минимуму помехи, характерные для современных сенсорных технологий, использующих электрохимические реакции или флуоресценцию.
«Наш электрокинетический датчик позволяет делать то, чего не могут другие методы диагностики. Мы можем напрямую загружать кровь без предварительной обработки для выделения внеклеточных везикул, потому что на наш датчик не влияют другие частицы или молекулы. Он демонстрирует низкий уровень шума и является более чувствительным, чем другие технологии», – говорит Сатьяджиоти Сенапати, соавтор исследования.
В общей сложности устройство состоит из трех частей: автоматизированного интерфейса, прототипа портативной машины, которая вводит материалы для проведения теста, и биочипа. Для каждого теста требуется новый биочип, но интерфейс автоматизации и прототип можно использовать многократно.
Проведение одного теста занимает менее часа, при этом требуется всего 100 микролитров крови. На изготовление каждого биочипа уходит менее 2 долларов.
Хотя это устройство было разработано для глиобластомы, исследователи утверждают, что его можно адаптировать и для других типов биологических наночастиц. Это открывает возможность использования технологии для обнаружения различных биомаркеров других заболеваний. По словам Чанга, команда исследует технологию для диагностики рака поджелудочной железы и других заболеваний, таких как сердечно-сосудистые болезни, деменция и эпилепсия.
«Наша методика не является специфической для глиобластомы, но начать с нее было уместно из-за того, насколько она смертельно опасна, и из-за отсутствия тестов для раннего скрининга. Мы надеемся, что если раннее обнаружение станет более реальным, то шансы на выживание возрастут», – говорит Чанг.
[Фото: Matt Cashore/University of Notre Dame]