Ранняя диагностика рака — признанный и приоритетный путь снижения инвалидизации и смертности от онкологических заболеваний. При этом для быстрого и эффективного скрининга и мониторинга лечения предпочтительнее проводить анализы не в крови, как это происходит традиционно, а в легкодоступных биологических жидкостях, таких как слюна. Однако концентрация маркеров в слюне в тысячи раз ниже, чем в крови, а существующие методы не обладают достаточной чувствительностью.
Созданный в России биосенсор решает эту проблему. Он способен обнаружить в слюне даже самые низкие концентрации онкомаркеров. Например, раково-эмбриональный антиген (РЭА) в концентрации от 0,1 фемтограмма на миллилитр. Это один из наиболее информативных онкомаркеров для диагностики и контроля лечения рака кишечника, поджелудочной железы, легких и других органов. Время анализа составляет всего две минуты, а рабочий диапазон чувствительности достигает 10 нг/мл.
Для достижения таких параметров ученые использовали аптамер — короткий фрагмент ДНК, который специфично связывается с белком-мишенью. Аптамер закреплен на графеновой подложке, нанесенной на миниатюрные электроды, и захватывает только маркер РЭА, игнорируя остальные вещества в слюне. Ключевая особенность сенсора — двухрежимная работа. Устройство может работать как полевой транзистор, в котором регистрация процесса связывания аптамера и РЭА осуществляется по изменению тока, проходящего в канале из графена, лежащего между электродами. Также сенсор работает в электрохимическом режиме, когда регистрируется изменение амплитуды тока окислительно-восстановительной реакции на одном из электродов, покрытом графеном. Первый режим обеспечивает рекордную чувствительность на уровне зептомолей (10 моль/л). Второй — расширяет динамический диапазон измерений. Совместная работа двух независимых режимов также минимизирует ошибки и повышает надежность диагностики.
«Поиск биомаркеров в слюне человека может являться основой будущей экспресс-диагностики для выявления социально значимых заболеваний. Мы предложили метод, позволяющий быстро создать высокочувствительный сенсор для определения РЭА в слюне. Возможность совмещения двух различных физико-химических механизмов детектирования на одном чипе повышает надежность нашего сенсора и его чувствительность»,— рассказала первый автор работы, молодой ученый ИОФ РАН и аспирантка МФТИ Анастасия Кудрявцева.
«Технология позволяет сделать такой тест недорогим и простым в использовании, как глюкометр, и в будущем создать удобные приборы для быстрой проверки у врача или дома»,— пояснил ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ Иван Бобринецкий.
«Комфортность, неинвазивность и быстрота таких анализов при обеспечении их широкой доступности могут привести к качественно новому уровню диагностики, а также возможности мониторинга лечения онкозаболеваний даже в домашних условиях благодаря широкому динамическому диапазону измерений. Например, если после операции или химиотерапии уровень РЭА упал, а потом снова начал расти — это может сигнализировать о возвращении болезни (рецидиве). Дальнейшее развитие технологии может привести к повышению эффективности здравоохранения и улучшению показателей выживаемости пациентов»,— отметил заведующий лабораторией ИОФ РАН Петр Никитин.
Разработанный биосенсор представляет собой значительный шаг в сторону неинвазивной, доступной и сверхранней диагностики онкологических заболеваний. Его дальнейшая разработка и коммерциализация могут привести к созданию портативных медицинских тест-систем нового поколения.
