Американские ученые создали миниатюрный универсальный сенсор, который в реальном времени измеряет концентрацию молекул-мишеней в крови бодрствующих лабораторных животных. Такое устройство открывает новые возможности для исследований фармакологии, физиологии и токсикологии лекарственных препаратов. Статья о разработке опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Неспособность непрерывно измерять концентрацию важных веществ непосредственно в живых организмах — одно из ключевых ограничений биоаналитической химии. Конструкция сенсора, способного измерять уровень молекул непосредственно в крови, должна обойти два технических препятствия: измерение не должно быть разделенным на стадии и сенсор должен быть стабилен в крови. Существуют сенсоры, которые обходят технические ограничения и непрерывно определяют уровень отдельных соединений — глюкозы, лактата, серотонина и некоторых других молекул в крови, но они работают на основе специфических реакций молекул-мишеней и не универсальны: для каждого типа молекул нужно изобретать и оптимизировать собственную реакцию.
Одна из перспективных технологий, электрохимический аптамерный датчик, обладает универсальностью, которой лишены реактивные датчики. Его основа — аптамеры, молекулы нуклеиновых кислот длинной несколько десятков нуклеотидов, которые специфически связываются с различными молекулами-мишенями. Благодаря астрономическому числу сочетаний оснований в олигонуклеидной молекуле можно найти аптамер практически к любой произвольной мишени. За счет специфического связывания с мишенью такие датчики также очень устойчивы к засорению при работе в крови.
Ученые из университета Калифорнии взяли аптамерный датчик за основу своей новой разработки. Они создали микрофлюидный чип, который пропускал к датчику только небольшие молекулы, не допуская крупные и медленно движущиеся клетки крови. Для того, чтобы дополнительно защитить сенсор от засорения, они покрыли его биосовместимой мембраной. Защищенный биосенсор ученые использовали для измерения концентрации в крови крыс доксорубицина — известного противоракового препарата. Во время пятичасового мониторинга сенсор продемонстрировал наномолярную точность измерения.
Чтобы показать универсальность сенсора, ученые использовали сменный аптамерный элемент для распознавания другого типа веществ — антибиотиков аминогликозидов. Биосенсор также быстро показал изменение концентрации препарата во время серии инъекций. Сенсор, введенный через катетер в яремную вену, позволил животным двигаться почти беспрепятственно и дал непрерывный доступ к данным о концентрации антибиотика в крови бодрствующего животного.
Этот биосенсор оказался способен быстро и непрерывно считывать информацию об уровне молекул-мишеней в реальном времени, в течение нескольких часов, даже на бодрствующем животном. С таким функционалом фармакологи смогут увидеть как быстро усваивается лекарственный препарат, физиологи — отследить распространение гормонов и метаболитов в крови с новым уровнем точности.
Новый биосенсор в ближайшее время смогут использовать только ученые и медики, однако уже сейчас существуют накожные микрофлюидные чипы, которые могут представлять интерес для спортсменов.
Анна Маньшина
