Химики из Университета Монреаля разработали «сигнальные каскады» на основе молекул ДНК, позволяющие определять и количественно оценивать концентрацию различных молекул в капле крови за пять минут.
Их выводы, подтверждённые экспериментами на мышах, опубликованы в Journal of the American Chemical Society и могут помочь в создании устройств для мониторинга и оптимизации лечения различных заболеваний в условиях оказания медицинской помощи.
Исследовательская группа под руководством профессора химии Университета де Монреаль Алексиса Валле-Белиса достигла этого результата.
«Одним из ключевых факторов успешного лечения различных заболеваний является обеспечение и поддержание терапевтической дозы препарата на протяжении всего лечения», — сказал он. «Недостаточная терапевтическая экспозиция снижает эффективность и обычно приводит к лекарственной устойчивости, в то время как передозировка увеличивает побочные эффекты».
Поддержание нужной концентрации лекарств в крови остаётся серьёзной задачей современной медицины. Поскольку у каждого пациента есть свой фармакокинетический профиль, концентрация лекарств в крови может значительно различаться. Например, многие пациенты с раком не получают оптимальную дозу препаратов, а существующие экспресс-тесты недостаточно быстры, чтобы выявить эту проблему.
«Простые в выполнении тесты могли бы сделать мониторинг терапевтического лечения более доступным и позволить проводить более персонализированное лечение», — сказал Винсент Де Гир, клинический биохимик больницы Монреальского университета и председатель Рабочей группы по лабораторным ошибкам и безопасности пациентов Международной федерации клинической химии и лабораторной медицины.
«Подключённое решение, похожее на глюкометр по портативности, доступности и точности, которое бы измеряло концентрацию лекарств в нужное время и передавало результаты непосредственно медицинской команде, обеспечило бы пациентам оптимальную дозу, которая максимизирует их шансы на выздоровление», — сказал Де Гир в независимой оценке исследования.
Холдер Канады по исследованиям в области биоинженерии и нанобиотехнологии, Валле-Белис провёл много лет, изучая, как биологические системы отслеживают концентрацию молекул в окружающей среде в режиме реального времени.
Прорыв в этой новой технологии произошёл благодаря наблюдению за тем, как клетки обнаруживают и количественно определяют концентрацию молекул в окружающей среде.
«Клетки разработали наноразмерные «сигнальные каскады», состоящие из биомолекул, которые запрограммированы взаимодействовать друг с другом для активации специфических клеточных активностей при наличии определённого количества внешних стимулов или молекул», — сказал первый автор исследования Гуичи Чжу, научный сотрудник Университета де Монреаль.
«Вдохновлённые модульной структурой сигнальных систем природы и лёгкостью, с которой они могут эволюционировать для обнаружения новых молекулярных мишеней, мы разработали аналогичные сигнальные каскады на основе ДНК, которые могут обнаруживать и количественно определять специфические молекулы посредством генерации легко измеримого электрохимического сигнала», — сказала она.
Принцип работы этих датчиков прост: молекулярная мишень или лекарство, за которым ведётся наблюдение, может взаимодействовать с определённой молекулой ДНК, называемой аптамером. После связывания с молекулярной мишенью этот аптамер ДНК больше не может ингибировать другую электроактивную ДНК, которая затем может достичь поверхности электрода и генерировать электрохимический ток, легко обнаруживаемый с помощью недорогого считывающего устройства.
«Большим преимуществом этих электрохимических тестов на основе ДНК является то, что их принцип работы может быть применён ко многим различным мишеням, что позволяет нам создавать недорогие устройства, которые могут обнаруживать множество различных молекул за пять минут в кабинете врача или даже дома», — сказал Валле-Белис, чья команда подтвердила свой новый механизм, обнаружив четыре различных молекулы за это время.
Чтобы проиллюстрировать, как этот новый сигнальный механизм может быть адаптирован в простой в использовании домашний тест, авторы также продемонстрировали мониторинг в реальном времени противомалярийного препарата у живых мышей. Текущие тесты, используемые для этого, обычно занимают несколько часов и требуют дорогостоящего оборудования.
Этот новый сигнальный механизм создаёт достаточные изменения электрического тока, которые можно измерить с помощью недорогой электроники, аналогичной той, что используется в домашних глюкометрах, применяемых диабетиками для проверки уровня сахара в крови.
«Используя этот анализ на основе ДНК, мы смогли разработать датчики для множества молекул крови, даже если их концентрация иногда была в 100 000 раз меньше, чем у глюкозы», — сказал Бал-Рэм Адхикари, ещё один научный сотрудник Университета де Монреаль, участвовавший в исследовании.
Предоставлено
University of Montreal