Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ создали методику изучения живых клеток, предназначенную для своевременной и без инвазивной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и неврологических патологий. Разработка основана на биомиметическом принципе: при создании сенсорных платформ исследователи воспроизвели сложную структуру лепестков цветка Анютины глазки. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном международном научном издании Journal of Materials Chemistry B.
В современной медицине существует острая потребность в технологиях, которые способны фиксировать незначительные биохимические сдвиги в отдельных клетках, поскольку это необходимо для ранней диагностики серьёзных заболеваний. Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (SERS) является одним из наиболее перспективных подходов. Она обеспечивает возможность получения уникального «молекулярного отпечатка» клетки, не повреждая её. Однако имеющиеся в настоящее время сенсоры для данного метода либо характеризуются высокой стоимостью производства, либо не обеспечивают достаточного удержания клеток.
Благодаря применению нанотехнологий, вдохновленных природными процессами, российским ученым удалось найти решение задачи. Разработанный ими метод позволяет не только воспроизводить природные структуры, но и отбирать наиболее удачные из них.
Первым этапом технологии является выбор подходящего природного образца. Используя метод мягкой литографии, структура, такая как поверхность лепестка цветка, воспроизводится на силиконовой подложке. Затем она покрывается наночастицами золота, которые повышают интенсивность аналитического сигнала.
Ключевым успехом команды МФТИ стало изменение подхода от несистемного поиска к точным вычислениям. Специалисты создали принципиально новый алгоритм, позволяющий определить сложность поверхности с помощью специального показателя (α). Поверхности с высокой субмикронной сложностью (α>20) демонстрируют наиболее эффективные характеристики. Это даёт возможность спрогнозировать, насколько успешно конкретная структура будет удерживать клетки заданного типа.
«Вместо интуитивных методов мы используем точное математическое описание природных структур. Наш алгоритм позволяет оптимально подбирать шаблон для решения конкретной задачи, например, при анализе крови или проведении биопсии ткани », – пояснила Мария Баршутина, ведущий научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и первый автор исследования.
Используя новую методику, исследователи изучили несколько видов растений и выяснили, что лепестки анютиных глазок (Viola tricolor) имеют необычную, многослойную структуру. Она включает в себя наноразмерные элементы, обеспечивающие надёжную фиксацию клеток, а также полузакрытые микроскопические пространства, размер которых варьируется от 8 до 10 микрометров и соответствует размеру эритроцита.
«Специфическая структура реплики Анютиных глазок обеспечивает оптимальную фиксацию эритроцитов. Клетка надежно удерживается, а интенсивность сигнала возрастает в 2–7 раз по сравнению с другими моделями. Достигнута требуемая степень чувствительности, позволяющая перейти к практическому использованию в клинической медицине», – сказал доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Сергей Новиков.
Предлагаемая методика обеспечивает экономически целесообразное создание современных диагностических материалов. Использование технологии исключает необходимость в дорогом оборудовании, что существенно уменьшает стоимость производства сенсоров. Такие сенсоры, например, могут найти применение в переносных устройствах для оперативного анализа крови, востребованных в медицинских учреждениях и крупных промышленных предприятиях, заинтересованных в контроле состояния здоровья персонала в отдалённых районах, в том числе в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях.
По мнению исследователей, данная технология готова к расширению производства. Благодаря своей универсальности, метод можно применять к различным видам клеток. Специалисты считают, что технология имеет значительный потенциал для использования в российской системе здравоохранения и в настоящее время ведут поиск промышленных партнёров.
Работа была проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ