Как найти рак, который играет в прятки? ДНК-пирамиды заставят его «сиять», даже если это всего одна молекула на миллиард

Китайские исследователи разработали оптический сенсор на базе CRISPR, который способен обнаружить едва заметные следы онкологических биомаркеров всего в одной капле крови. Речь идет о молекулах, по которым врачи определяют наличие опухоли, стадию и уровень риска. Технология рассчитана на самые ранние этапы болезни, когда концентрация таких маркеров крайне мала и стандартные лабораторные тесты часто дают неопределенный результат. Но предполагают, что со временем метод можно будет встроить в обычный анализ крови для раннего скрининга.

Биомаркерами служат белки, фрагменты ДНК и другие молекулы, связанные с ростом новообразований. В начале заболевания их содержание в крови минимально, поэтому лаборатории обычно применяют химическое усиление сигнала. Такие процедуры делают анализ дороже, сложнее и дольше. В этой работе исследователи решили отказаться от амплификации и регистрировать присутствие нужных веществ напрямую.

В основе метода лежит генерация второй гармоники - это оптический эффект, при котором падающее излучение преобразуется в волну с вдвое меньшей длиной. Процесс происходит на поверхности двумерного полупроводника дисульфида молибдена - материала, который широко используют в нанооптике. У такого подхода низкий фоновый шум, поэтому даже слабый отклик удается надежно заметить.

Датчик собран из нескольких наноструктур. Ученые использовали ДНК-тетраэдры, пирамидальные конструкции, полностью составленные из цепочек ДНК. Они задают точное расстояние между поверхностью материала и квантовыми точками. Квантовые точки представляют собой нанокристаллы с особыми световыми свойствами. Они усиливают локальное оптическое поле и делают измеряемый отклик более выраженным.

Распознавание целевой молекулы обеспечивает система CRISPR-Cas. В сенсоре используется белок Cas12a. Когда он находит нужный биомаркер, он разрезает ДНК-цепи, которые удерживают квантовые точки на каркасе. После этого оптический сигнал заметно падает, прибор фиксирует изменение и выдает результат. Благодаря низкому фону и прямой схеме измерения устройство улавливает крайне малые концентрации вещества.

В экспериментах устройство проверяли на маркере miR-21, это микроРНК, связанная с раком легкого. Сначала измерения провели в буферном растворе с заданными параметрами, затем перешли к образцам сыворотки крови пациентов. Условия подбирали так, чтобы они были близки к реальному лабораторному анализу. Сенсор показал чувствительность на субаттомолярном уровне, то есть уверенно срабатывал, когда в пробе присутствовало всего несколько молекул цели. Также зафиксирована высокая избирательность: система не реагировала на похожие РНК-последовательности и давала отклик только на нужный маркер.

Можно перенастраивать этот алгоритм и под другие задачи. По расчетам авторов, ту же схему можно адаптировать для поиска вирусов, бактерий, токсинов окружающей среды и маркеров нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера. Метод также позволяет часто проверять показатели конкретного пациента. Врач сможет отслеживать реакцию на лечение по анализам, которые делают ежедневно или еженедельно, а не ждать месяцами результатов визуальных исследований.

Следующий шаг — уменьшить размеры оптического блока. Исследователи планируют собрать компактный переносной прибор, который подойдет для работы у постели пациента, в амбулаторных отделениях и в регионах с ограниченными медицинскими ресурсами.