Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали технологию анализа живых клеток для ранней и неинвазивной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний. В основе разработки лежит биомиметический подход: для создания сенсорных платформ учёные скопировали сложную текстуру лепестков цветка Анютины глазки. Работа опубликована в престижном международном журнале Journal of Materials Chemistry B.
Современная медицина остро нуждается в технологиях, способных улавливать малейшие биохимические изменения в отдельных клетках, – это ключ к сверхранней диагностике тяжёлых заболеваний. Один из самых эффективных методов – спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (SERS). Она позволяет получить уникальный «молекулярный отпечаток» клетки, не разрушая её. Однако существующие на сегодняшний день сенсоры для этого метода либо слишком дороги в производстве, либо недостаточно эффективно удерживают клетки.
Российские учёные нашли решение, обратившись к нанотехнологиям, созданным самой природой. Они разработали метод, который позволяет не просто копировать природные поверхности, а целенаправленно выбирать среди них самые эффективные.
Технология начинается с выбора идеального природного шаблона. С помощью метода мягкой литографии текстура, например, лепестка цветка, переносится на силиконовую основу, которая затем покрывается наночастицами золота, усиливающими аналитический сигнал.
Главное достижение команды МФТИ – переход от случайного поиска к точному расчету. Учёные разработали уникальный алгоритм, который количественно оценивает сложность поверхности с помощью специального «коэффициента сложности» (α): поверхности с высокой субмикронной сложностью (α>20) обеспечивают наилучшие результаты. Это позволяет предсказать, насколько хорошо та или иная структура будет удерживать клетки определённого типа.
«Мы перешли от интуитивного подбора к точному математическому описанию природных структур. Наш алгоритм позволяет рационально выбирать идеальный шаблон для конкретной задачи, будь то анализ крови или биопсия ткани», – рассказала первый автор статьи, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Мария Баршутина.
Проанализировав с помощью нового метода различные растения, учёные обнаружили, что лепестки растения Анютины глазки (Viola tricolor) обладают уникальной многоуровневой архитектурой: сочетают наноразмерную сложность, надёжно фиксирующую клетку, и полузамкнутые микроскопические полости размером 8–10 микрометров, соответствующим размеру эритроцита.
«Уникальная топография реплики Анютиных глазок создает идеальную ловушку для эритроцита. Клетка мягко фиксируется, а сигнал усиливается в 2–7 раз по сравнению с другими шаблонами. Мы достигли уровня чувствительности, необходимого для перехода к реальным клиническим применениям», – отметил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Сергей Новиков.
Разработка предлагает экономически выгодный путь создания передовых диагностических материалов. Технология не требует дорогостоящего оборудования, что значительно снижает себестоимость сенсоров. В частности, подобные сенсоры могут быть использованы в портативных системах для экспресс-анализа крови, необходимых для клиник и для крупных промышленных компаний, заинтересованных в мониторинге здоровья сотрудников в удалённых регионах, включая нефтегазовый и добывающий секторы.
По словам учёных, технология готова к масштабированию. Универсальность метода позволяет адаптировать его для любых типов клеток. Учёные видят серьёзный потенциал для внедрения технологии в российское здравоохранение и активно ищут индустриальных партнёров.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: virtosmedia - ru.123rf.com
