Научници су дизајнирали моћни сензор заснован на светлости који је способан да открије изузетно мале количине биомаркера рака у крви. Иновација би на крају могла омогућити лекарима да идентификују ране знаке упозорења на рак и друге болести кроз рутинско вађење крви.
Биомаркери као што су протеини, фрагменти ДНК и други молекули могу сигнализирати да ли је рак присутан, како напредује или постоји ризик од развоја рака код особе. Потешкоћа је у томе што у најранијим стадијумима болести, ови маркери постоје у изузетно ниским концентрацијама, што их чини тешким за мерење конвенционалним алатима.
„Наш сензор комбинује наноструктуре направљене од ДНК са квантним тачкама и технологијом за уређивање гена ЦРИСПР да би открио слабе сигнале биомаркера користећи приступ заснован на светлости познат као генерација друге хармонике (СХГ)“, рекао је вођа истраживачког тима Хан Зханг са Универзитета Шенжен у Кини. „Уколико буде успешан, овај приступ би могао помоћи да се третмани болести буду једноставнији, потенцијално побољшају стопе преживљавања и смање укупни трошкови здравствене заштите.“
У Оптицачасопис Оптица Публисхинг Гроуп за истраживања високог утицаја, Зханг и његов тим су известили да је уређај открио биомаркере рака плућа у узорцима пацијената на суб-аттомоларним нивоима. Чак и када је било присутно само неколико молекула, систем је произвео јасан и мерљив сигнал. Пошто је платформа програмабилна, потенцијално би се могла прилагодити да идентификује вирусе, бактерије, токсине из животне средине или биомаркере повезане са условима као што је Алцхајмерова болест.
„За рану дијагнозу, ова метода обећава да ће омогућити једноставне крвне претраге за рак плућа пре него што тумор буде видљив на ЦТ скенирању“, рекао је Зханг. „То би такође могло помоћи у унапређењу персонализованих опција лечења омогућавајући лекарима да прате нивое биомаркера пацијента дневно или недељно како би проценили ефикасност лека, уместо да чекају месецима на резултате снимања.“
Технологија оптичког сензора без појачања
Већина тренутних тестова биомаркера захтева хемијско појачање да би се повећали ситни молекуларни сигнали, што додаје време, сложеност и трошкове. Истраживачи су имали за циљ да створе директну стратегију откривања која елиминише те додатне кораке.
Систем се ослања на СХГ, нелинеарну оптичку појаву у којој се долазећа светлост претвара у светлост са половином таласне дужине. У овом дизајну, СХГ се одвија на површини дводимензионалног полупроводника званог молибден дисулфид (МоС₂).
Да би прецизно позиционирао сензорске компоненте, тим је направио ДНК тетраедре, који су мале наноструктуре у облику пирамиде формиране у потпуности од ДНК. Ове структуре држе квантне тачке на пажљиво контролисаним растојањима од површине МоС₂. Квантне тачке интензивирају локално оптичко поље и појачавају СХГ сигнал.
Затим је уграђена ЦРИСПР-Цас технологија за уређивање гена да би се препознали специфични биомаркери. Када протеин Цас12а открије своју мету, он пресеца ланце ДНК који учвршћују квантне тачке. Ова акција изазива мерљив пад СХГ сигнала. Пошто СХГ производи веома мало позадинске буке, систем може детектовати изузетно ниске концентрације биомаркера са високом осетљивошћу.
„Уместо да посматрамо ДНК само као биолошку супстанцу, ми је користимо као програмабилне грађевне блокове, омогућавајући нам да саставимо компоненте нашег сензора са прецизношћу до нанометарског нивоа“, рекао је Зханг. „Комбиновањем оптичког нелинеарног сенсинга, који ефикасно минимизира позадинску буку, са дизајном без појачања, наш метод нуди јасан баланс брзине и прецизности.“
Успешно тестирање карцинома плућа у људском серуму
Да би проценили перформансе у стварном свету, истраживачи су се фокусирали на миР-21, микроРНА биомаркер повезан са раком плућа. Након што су потврдили да уређај може да открије миР-21 у контролисаном пуферском раствору, тестирали су га користећи људски серум пацијената оболелих од рака плућа како би симулирали стварни тест крви.
„Сензор је радио изузетно добро, показујући да интеграција оптике, наноматеријала и биологије може бити ефикасна стратегија за оптимизацију уређаја“, рекао је Зханг. „Сензор је такође био веома специфичан – игноришући друге сличне РНК нити и откривајући само циљ рака плућа.“
Следећи циљ је смањење оптичког система. Истраживачи имају за циљ да развију преносиву верзију која би се могла користити поред кревета, у амбулантама или у удаљеним подручјима са ограниченим медицинским ресурсима.
