Имплантаты из нанотрубок для диагностики белков крови

Ученые из Массачусетского Технологического Института (Massachusetts Institute of Technology, MIT, США) разрабатывают крошечные сенсоров из покрытых полимерами углеродных нанотрубок для выявления и отслеживания в крови биологически важных соединений, например, инсулина, оксида азота и фибриногена – белка, участвующего в свертывании крови. Ученые надеются, что эти сенсоры упростят и автоматизируют диагностические тесты.

Результаты предварительных экспериментов на мышах, которые недавно были озвучены учеными на заседании Американского Химического Общества (American Chemical Society) в Бостоне (США), свидетельствуют о том, что разработанные сенсоры можно безопасно для здоровья ввести в кровоток или имплантировать под кожу. Полученные данные также свидетельствуют о том, что комплексы из нанотрубок и полимеров способны измерить концентрации крупных молекул в крови человека, что сложно сделать современным тестам.

«Присоединение матриц к углеродным нанотрубкам создает уникальную способность выявлять крупные молекулы, что было ранее сложной задачей, поскольку у нас нет хороших инструментов для их детекции», – говорит специалист в биоаналитической химии Хизер Кларк (Heather Clark) из Северо-Восточного Университета в Бостоне (Northeastern University in Boston, США). По словам ученого, несмотря на то, что важно тщательно исследовать совместимость сенсоров с человеческим организмом, эта технология продолжает разрабатываться и будет интересно провести ее дальнейшие исследования.

Попытки разработать долгосрочные имплантируемые сенсоры ранее были неудачными из-за их отторжения организмом человека, который старается защитить себя и переработать биологический материал. Организм изолирует устройства, окружая их рубцовой тканью, или разрушает их компоненты.

«Все, что синтезируется в организме, должно быть разрушено, – говорит инженер-химик Майкл Страно (Michael Strano), чья лаборатория в Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT, США) провела большую часть исследований [1]. – Мы хотим разработать чувствительную платформу, которая может следить за всеми молекулами в организме в течение длительного периода времени».

Исследовательская команда Страно создает сенсоры, покрывая углеродные нанотрубки полимерами разных конфигураций. После этого команда тестирует их с помощью библиотек молекул, которые нанотрубки должны детектировать. Подход основан на преимуществах естественной способности нанотрубок флуоресцировать: когда свет попадает на сенсор, нанотрубка начинает светиться ярче или становится более тусклой в зависимости от того, присоединилась ли она к интересующей молекуле.

Для разработки одного из сенсоров исследователи из MIT покрыли нанотрубки смесью полимеров и нуклеотидов и тестировали их с целью выявления конфигураций, которые связываются с белком фибриногеном. Эта крупная молекула важна для формирования тромба; его концентрация может указывать на заболевания, сопровождающиеся нарушением свертываемости крови, заболевания печени или возможное осложнение сердечно-сосудистых заболеваний в ближайшем будущем. По словам специалиста в области нанотехнологии из MIT Гили Бискера (Gili Bisker), исследовательская команда недавно обнаружила материал, который впервые вступил во взаимодействие с такой крупной молекулой. Нанотрубки, выявляющие белок фибриноген, можно использовать для измерения концентраций этого белка в образцах крови или имплантировать в ткани, чтобы отследить изменения концентрации этого белка, что может указывать на формирование кровяного сгустка у человека.

По словам Бискера, исследовательская команда из MIT также разработала сенсор [2], который можно имплантировать под кожу человека для наблюдения за концентрацией глюкозы или инсулина в его крови в режиме реального времени. Идея ученых заключается в том, чтобы чуть выше имплантированного сенсора приклеивать на кожу человека небольшой пластырь, который содержит беспроводное устройство. Пластырь будет освещать сенсор и измерять его флуоресценцию, затем передавать эти данные на мобильный телефон, чтобы проводить измерения в режиме реального времени.

Другой вариант сенсора, разработанного [3] в MIT биомедицинским инженером Николь Айверсон (Nicole Iverson) и коллегами, выявляет оксид азота. Эта сигнальная молекула указывает на воспаление и ассоциирована со многими злокачественными клетками. По словам инженера-химика Майкла Ли (Michael Lee) из MIT, при имплантации в гидрогелевый матрикс сенсор продолжил работать в организме мышей в течение более 400 дней и не вызвал местного воспаления. Сенсоры оксида азота также хорошо работали при введении в кровоток мышей, успешно проходя через мелкие капилляры в легких. Айверсон, которая открывает свою лабораторию в Университете Небраска-Линкольн (University of Nebraska–Lincoln, США), планирует продолжить исследования датчиков оксида азота для терапии рака. Например, хирурги могут использовать их для того, чтобы определить, были ли удалены все раковые клетки пациента.

По словам Айверсон, если ученые разработают способ, позволяющий обнаружить каждую клетку, участвующую в воспалении, они узнают, все ли раковые клетки в организме пациента были удалены.

Углеродные нанотрубки можно использовать для определения концентрации биологических молекул в условиях in vivo. (фото: Mopic/Alamy)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья:
Nature doi:10.1038/nature.2015.18219

Литература:
1. Kruss S. et al. Adv. Drug Delivery Revs. 65, 1933–1950 (2013).
2. Bisker, G., Iverson, N. M., Ahn, J. & Strano, M. Adv. Healthcare Mater. 4, 87–97 (2015).
3. Iverson, N. et al. Nature Nanotechnol. 8, 873–880 (2013).