Сегодня большое внимание уделяется созданию медицинских средств ранней диагностики различных заболеваний. Недавние достижения в области материаловедения открыли новые возможности для создания высокоспецифичных систем, распознающих болезнетворные агенты.

Российские химики сравнили несколько типов таких детекторов в своей статье в журнале Biomedical Engineering. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации в рамках программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

Ранняя диагностика – ключ к успешному лечению многих тяжелых заболеваний. Чтобы обнаружить болезнетворные агенты в организме человека, необходимы высокоспецифичные молекулярные детекторы в составе биосенсоров. Такие детекторы связываются с патогеном и изменяют какое-либо физическое свойство датчика, например сопротивление или прозрачность. Чтобы диагностировать заболевание в самом его начале, нужно распознавать очень маленькие концентрации болезнетворных агентов. Кроме того, сенсоры должны быть нетоксичными, стабильными и легко смачиваться кровью или другой исследуемой жидкостью, что накладывает ряд ограничений на используемые материалы.

После открытия графена – углеродной сетки толщиной в один атом – и его производных, возможности создания биосенсоров сильно расширились. Этот класс наноматериалов способен выступать в роли носителя для распознающих определенные молекулы веществ, которые, в свою очередь, могут реагировать на очень слабые изменения исследуемого образца и формировать регистрируемые современной аппаратурой сигналы.

В качестве распознающего элемента можно использовать антитела, ферменты, короткие участки ДНК и РНК. При взаимодействии с целевой структурой они изменяют физические характеристики графена, в частности его способность проводить электрический ток. Поскольку антитела дороже и сложнее в получении, сейчас активно синтезируют короткие ДНК-фрагменты, специфично связывающиеся с наследственным материалом патогена.

Для создания биосенсоров также часто используют свернутые листы графена – углеродные нанотрубки. Это прочнейший материал с уникальными структурными, электрическими и механическими свойствами. Связывание детектирующей молекулы с целью влияет на оптические или электрические свойства трубок, позволяя эффективно регистрировать сигнал. Существует ряд модификаций, позволяющих успешно их использовать для определения разных маркеров опухолевых клеток и болезнетворных бактерий. Однако применение в медицине требует от них определенных характеристик и чистоты, что сопряжено с длительной обработкой, очисткой и анализом получаемых материалов.

«Мы пришли к выводу, что наиболее перспективны сенсоры на основе производных графена, где в качестве биочувствительных агентов используются короткие фрагменты ДНК или же антитела. Созданием такого детектора занимается сейчас и наша лаборатория. Использование в качестве основы биосенсора оксида графена на полимерной подложке значительно удешевляет и технически упрощает производство биосенсоров. Мы надеемся, что в скором времени они будут близки по доступности к тест-полоскам для глюкометров, используемых диабетиками», – говорит Иван Комаров, кандидат технических наук, ведущий инженер межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России» МГТУ имени Н. Э. Баумана.