Учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новую технологию для измерения того, как радиация повреждает молекулы ДНК. Этот инновационный метод, пропускающий ДНК через крошечные отверстия, называемые нанопорами, обнаруживает радиационные повреждения гораздо быстрее и точнее, чем существующие методы. Это может привести к улучшению лучевой терапии рака и более персонализированному уходу за пациентами в чрезвычайных ситуациях, связанных с радиацией.
С помощью нанопор мы не просто измеряем радиационное повреждение; мы переписываем правила того, как быстро и эффективно мы можем реагировать на лечение рака и чрезвычайные ситуации, — сказал физик-учёный NIST Джозеф Робертсон.
Исследования успешно завершили этап проверки концепции, продемонстрировав свою работоспособность в лаборатории на тщательно подготовленных образцах ДНК в пробирке. В будущем планируется разработать портативную версию технологии и использовать её для измерения радиационных повреждений ДНК, извлечённой из биологических клеток и тканей.
Существующие методы измерения биологических эффектов радиации медленные и часто неэффективны
Для оценки радиационного повреждения у человека, подвергшегося облучению, медицинские работники берут образец крови и либо подсчитывают количество мёртвых клеток (процесс, который занимает не менее двух дней), либо культивируют клетки из образца для выявления хромосомных аномалий (что занимает не менее трёх дней).
Эти существующие методы имеют ограниченный диапазон и не могут измерять дозы выше примерно 5 грей, что ниже того, чему человек может подвергнуться при серьёзном радиационном инциденте. Грей (Гр) — это единица, выражающая количество энергии радиации, поглощённой телом или объектом, на килограмм массы.
Новая технология, опубликованная в Analytical Chemistry, особенно эффективна для измерения доз от 2 Гр до 10 Гр — критически важного диапазона радиационного воздействия на человека, требующего немедленной медицинской помощи. Она может выдавать результаты в течение нескольких минут, а не дней, со значительно более высокой точностью, чем достижимая ранее.
Метод использует тот факт, что ионизирующее излучение, такое как рентгеновские и гамма-лучи, расщепляет ДНК на более мелкие фрагменты. Чтобы продемонстрировать новый подход, исследователи использовали образцы ДНК, повреждённые радиацией. Они пропустили фрагменты ДНК через нанопору, через которую проходил электрический ток. Молекулы ДНК, проходившие через нанопору, вызывали нарушения в токе.
Отслеживая эти изменения, исследователи могли измерить количество фрагментов ДНК, проходящих через нанопору, и определить их длину. Эта информация позволила исследователям точно рассчитать эффективную дозу радиации, повлиявшую на ДНК.
В стремлении улучшить лечение рака важен мониторинг радиационного воздействия в режиме реального времени. «Слишком малая доза радиации может не уничтожить раковые клетки, а слишком большая может повредить здоровые ткани», — сказал Робертсон. «Возможность мониторинга радиационного воздействия в режиме реального времени означает, что врачи могут корректировать лечение, чтобы обеспечить правильную дозировку».
Эта технология также может отслеживать, насколько хорошо опухоль реагирует на радиацию, позволяя вносить персонализированные корректировки в лечение. Прямое измерение повреждения ДНК в раковых клетках позволяет врачам более точно подбирать терапию для каждого пациента.
В чрезвычайных ситуациях, связанных с радиацией, таких как ядерные аварии или радиационное отравление, возможность быстро оценить радиационное воздействие имеет решающее значение. Традиционные методы могут занять дни, но с помощью этой новой технологии службы экстренного реагирования могут получить данные в режиме реального времени за считанные минуты.
«Это позволило бы медицинским бригадам быстро определить приоритеты помощи тем, кто подвергается наибольшему риску», — сказал Робертсон.
Прорыв NIST может изменить подходы к реагированию на радиационные чрезвычайные ситуации и помочь спасти жизни, обеспечивая своевременное оказание помощи пострадавшим.
Одним из ключевых преимуществ этой технологии является её потенциальная портативность. Исследователи NIST сотрудничают с отраслевыми партнёрами для разработки устройства, которое могло бы быть таким же маленьким и доступным по цене, как смартфон, что сделало бы его легкодоступным в больницах, при чрезвычайных ситуациях и даже в полевых условиях. В ближайшие годы исследователи надеются сотрудничать с коммерческими организациями для создания прототипа устройства.
Эта технология не только означает значительный прогресс в измерении повреждений ДНК, но и подчёркивает приверженность NIST повышению общественного здоровья и безопасности с помощью инноваций в науке.
«Эта технология — не просто шаг вперёд; это спасательный круг», — сказал Робертсон. «Делая измерение радиации точным и доступным, мы стремимся обеспечить, чтобы помощь всегда была в пределах досягаемости».