Исследователи Сколтеха и их коллеги из России и Израиля разработали новый, простой и недорогой метод тестирования образцов биологических жидкостей, который может быть доработан для использования в клинической практике, в том числе для тестирования образцов в режиме реального времени в процессе хирургической операции.

Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

В медицинской практике для диагностического тестирования биологических образцов (например, мочи или слюны) в реальном времени чаще всего применяется метод, основанный на использовании безмаркерных оптических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью, обеспечение которой требует больших временных и ресурсных затрат.

В поиске более эффективной альтернативы существующему методу группа исследователей под руководством профессора Дмитрия Горина из Центра фотоники и квантовых материалов (CPQM) Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и доктора Романа Носкова из Тель-Авивского университета исследовала характеристику, которая обычно не учитывается в безмаркерных оптических сенсорах. Речь идет об оптической дисперсии коэффициента преломления образца, которая может выступать в роли «отпечатка пальца» для отслеживания изменений в его составе.

Иллюстрация концепции динамического мультиспектрального зондирования жидких проб / ©

Исследователи использовали мультиспектральное внутриволоконное оптическое зондирование жидких биологических образцов в статическом режиме и режиме реального времени. По мнению исследователей, этот метод обладает точностью, надежностью и высокой чувствительностью при обнаружении примесей в образце. Благодаря этим характеристикам, метод может использоваться как для медицинской диагностики, так и для моделирования различных биологических процессов в режиме реального времени.

Новый метод измерения дисперсии показателя преломления основан на использовании микроструктурного оптического волокна с полой сердцевиной (HC-MOF) и окружающей ее микроструктурной оболочкой, удерживающей свет внутри сердцевины. Жидкость проникает в полую сердцевину волокна, а спектральные сдвиги в максимумах и минимумах спектра пропускания HC-MOF интерпретируются как сигналы о химическом составе образца. Данная сенсорная система не требует использования внешнего резонатора и интерферометра, поэтому она является простой и недорогой в изготовлении.

Исследователи проверили, насколько эффективно система справляется с задачей определения концентрации бычьего сывороточного альбумина (БСА), который часто используют при проведении подобных экспериментов. Альбумин растворяли в воде и солевом растворе с фосфатным буфером. В нескольких экспериментах концентрация БСА стабильно определялась с точностью до 1 грамма БСА на 1 литр жидкости, что соответствует уровню точности стандартных тестов на альбумин и в целом отвечает клиническим требованиям.

«Нашу концепцию можно рассматривать в качестве основы для создания методов интраоперационного анализа биомаркеров разных типов. Для этого она должна быть протестирована на других биоаналитах, а волокно с полой сердцевиной необходимо дополнительно модифицировать для повышения специфичности метода. Будущие испытания этих устройств, предназначенных для использования по месту оказания медицинской помощи, станут первым шагом на пути к реализации метода, работающего по принципу “от лабораторных исследований до клинической практики”», − отмечает профессор Горин.

«Мультиспектральное внутриволоконное оптическое зондирование открывает новые возможности для создания быстрых, дешевых и надежных методов анализа образцов крови и других биологических жидкостей в режиме реального времени, что имеет важное значение для своевременной диагностики различных заболеваний и аномальных состояний», − добавляет доктор Носков.

Исследователи планируют продолжить исследования с целью повышения специфичности и чувствительности метода, а также подать патентную заявку и найти индустриальных партнеров и инвесторов, заинтересованных в разработке клинических устройств на основе сенсоров этого типа. Исследование проводилось в рамках сотрудничества между Сколтехом и Тель-Авивским университетом при участии специалистов Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского, МГУ имени М. В. Ломоносова, МФТИ, Томского государственного университета, Института проблем точной механики и управления РАН, а также индустриального партнера – ООО НПП «Наноструктурная Технология Стекла».