Разработан датчик, способный обнаруживать рак в домашних условиях

Вдохновляясь природными сенсорными системами, группа исследователей под руководством Массачусетского технологического института разработала новый датчик, способный обнаруживать те же молекулы, что и рецепторы естественных клеток.

В ходе работы, объединившей несколько новых технологий, исследователи создали прототип датчика, способного обнаруживать иммунную молекулу CXCL12 с точностью до десятков или сотен частей на миллиард. По словам исследователей, это первый важный шаг к созданию системы, которая может быть использована для рутинного скрининга труднодиагностируемых раковых или метастатических опухолей, а также в качестве высоко биомиметичного электронного «носа».

Мы надеемся разработать простое устройство, позволяющее проводить тестирование в домашних условиях с высокой специфичностью и чувствительностью. Чем раньше вы обнаружите рак, тем лучше будет лечение, поэтому ранняя диагностика рака — одна из важных областей, в которой мы хотим работать, — говорит Шугуан Чжан, главный научный сотрудник лаборатории Media Lab Массачусетского технологического института.

В основу устройства положена мембрана, которая окружает все клетки. Внутри таких мембран находятся тысячи рецепторных белков, которые распознают молекулы в окружающей среде. Специалисты Массачусетского технологического института модифицировали некоторые из этих белков таким образом, чтобы они могли выживать вне мембраны, и закрепили их в слое кристаллизованных белков на массиве графеновых транзисторов. Когда в образце обнаруживается целевая молекула, транзисторы передают информацию на компьютер или смартфон.

По словам исследователей, этот тип датчиков может быть адаптирован для анализа любой биологической жидкости, например крови, слез или слюны, и позволяет одновременно проводить скрининг на множество различных целей в зависимости от типа используемых рецепторных белков.

Мы выделяем критические рецепторы из биологических систем и закрепляем их на биоэлектронном интерфейсе, что позволяет нам собирать все эти биологические сигналы, а затем преобразовывать их в электрические выходы, которые могут быть проанализированы и интерпретированы алгоритмами машинного обучения, — говорит Руй Цин, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, а ныне доцент Шанхайского университета Цзяо Тун.

Цин и Мантиан Сюэ, доктор философии 23-го года, являются ведущими авторами исследования, результаты которого опубликованы сегодня в журнале Science Advances. Наряду с Чжаном, старшими авторами работы являются Томаш Паласиос, директор Лаборатории микросистем Массачусетского технологического института, профессор электротехники и информатики, и Уве Шлейтр, заслуженный профессор Института синтетических биоархитектур Университета природных ресурсов и наук о жизни в Вене.

Свобода от мембран

Большинство современных диагностических сенсоров основано либо на антителах, либо на аптамерах (коротких нитях ДНК или РНК), которые могут захватывать определенную целевую молекулу из жидкости, например, крови. Однако оба эти подхода имеют свои ограничения: Аптамеры легко разрушаются жидкостями организма, а производство антител, чтобы каждая партия была идентичной, может быть затруднено.

В качестве альтернативы ученые рассматривают создание сенсоров на основе рецепторных белков, содержащихся в клеточных мембранах, которые используются клетками для контроля и реагирования на окружающую среду. В геноме человека закодированы тысячи таких рецепторов. Однако с этими рецепторными белками сложно работать, поскольку после удаления с клеточной мембраны они сохраняют свою структуру только в суспензии детергента.

В 2018 году Чжан, Цин и др. сообщили о новом способе превращения гидрофобных белков в водорастворимые путем замены нескольких гидрофобных аминокислот на гидрофильные аминокислоты. Этот подход получил название QTY-код, по буквам, обозначающим три гидрофильные аминокислоты — глутамин, треонин и тирозин, которые заменяют гидрофобные аминокислоты лейцин, изолейцин, валин и фенилаланин.

Люди уже несколько десятилетий пытаются использовать рецепторы для сенсинга, но это сложно для широкого применения, поскольку рецепторы нуждаются в детергенте для поддержания их стабильности. Новизна нашего подхода заключается в том, что мы можем сделать их водорастворимыми и производить их в больших количествах и недорого, — говорит Чжан.

Чжан и Слейтр, которые давно сотрудничают друг с другом, решили объединить усилия, чтобы попытаться прикрепить водорастворимые версии рецепторных белков к поверхности, используя бактериальные белки, которые Слейтр изучал в течение многих лет. Эти белки, известные как белки S-слоя, находятся в наружном поверхностном слое клеточной оболочки у многих видов бактерий и архей.

При кристаллизации белков S-слоя они образуют на поверхности когерентные мономолекулярные массивы. Ранее Sleytr показал, что эти белки могут быть соединены с другими белками, такими как антитела или ферменты. В данном исследовании ученые, включая старшего научного сотрудника Андреаса Брайтвизера, который также является соавтором статьи, использовали белки S-слоя для создания очень плотного, иммобилизованного листа водорастворимой версии рецепторного белка CXCR4. Этот рецептор связывается с целевой молекулой CXCL12, играющей важную роль в ряде заболеваний человека, включая рак, а также с гликопротеином оболочки ВИЧ, который отвечает за проникновение вируса в клетки человека.

Мы используем эти системы S-слоев для того, чтобы позволить всем этим функциональным молекулам прикрепляться к поверхности в виде мономолекулярного массива, с очень четко определенным распределением и ориентацией, — говорит Слейтр.

Это похоже на шахматную доску, на которой можно очень точно расположить различные фигуры.

Исследователи назвали свою сенсорную технологию RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

Чувствительность с помощью биомимикрии

Эти кристаллизованные S-слои могут быть нанесены практически на любую поверхность. В данном случае исследователи прикрепили S-слой к чипу с транзисторными решетками на основе графена, разработанными ранее в лаборатории Паласиоса. Одноатомная толщина графеновых транзисторов делает их идеальными для создания высокочувствительных детекторов.

Работая в лаборатории Паласиоса, Сюэ адаптировал чип таким образом, чтобы на него можно было наносить двойной слой белков — кристаллизованные белки S-слоя, прикрепленные к водорастворимым белкам-рецепторам. Когда целевая молекула из образца связывается с рецепторным белком, заряд целевой молекулы изменяет электрические свойства графена таким образом, что его можно легко определить количественно и передать на компьютер или смартфон, подключенный к чипу.

Мы выбрали графен в качестве материала для преобразователя, поскольку он обладает превосходными электрическими свойствами, а значит, может лучше передавать сигналы. У него самое высокое отношение поверхности к объему, поскольку он представляет собой лист из атомов углерода, поэтому каждое изменение на поверхности, вызванное событиями связывания белков, напрямую отражается на всей массе материала, — говорит Сюэ.

Графеновый транзисторный чип может быть покрыт белками-рецепторами S-слоя с плотностью 1 триллион рецепторов на квадратный сантиметр с ориентацией вверх. Это позволяет чипу использовать максимальную чувствительность белков-рецепторов, находящуюся в клинически значимом диапазоне для целевых аналитов в организме человека. По словам исследователей, в чип-массив интегрировано более 200 устройств, что обеспечивает избыточность обнаружения сигналов, позволяющую гарантировать надежность измерений даже в случае редких молекул, например, тех, которые могут выявить наличие опухоли на ранней стадии или начало развития болезни Альцгеймера.

Благодаря использованию кода QTY можно модифицировать существующие в природе рецепторные белки, которые затем могут быть использованы, по словам исследователей, для создания массива сенсоров в одном чипе для скрининга практически любых молекул, которые могут быть обнаружены клетками.

Мы стремимся разработать базовую технологию для создания в будущем портативного устройства, которое можно будет интегрировать с сотовыми телефонами и компьютерами, чтобы можно было провести тест дома и быстро определить, стоит ли обращаться к врачу, — заключает Цин.

21.07.2023