Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали технологию анализа живых клеток для ранней и неинвазивной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний. В основе разработки лежит биомиметический подход: для создания сенсорных платформ учёные скопировали сложную текстуру лепестков цветка Анютины глазки. Работа опубликована в престижном международном журнале Journal of Materials Chemistry B.
Современная медицина остро нуждается в технологиях, способных улавливать малейшие биохимические изменения в отдельных клетках – это ключ к сверхранней диагностике тяжёлых заболеваний. Один из самых эффективных методов – спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (SERS). Она позволяет получить уникальный «молекулярный отпечаток» клетки, не разрушая её. Однако существующие на сегодняшний день сенсоры для этого метода либо слишком дороги в производстве, либо недостаточно эффективно удерживают клетки.
Российские учёные нашли решение, обратившись к нанотехнологиям, созданным самой природой. Они разработали метод, который позволяет не просто копировать природные поверхности, а целенаправленно выбирать среди них самые эффективные.
Технология начинается с выбора идеального природного шаблона. С помощью метода мягкой литографии текстура, например, лепестка цветка, переносится на силиконовую основу, которая затем покрывается наночастицами золота, усиливающими аналитический сигнал.
Главное достижение команды МФТИ – переход от случайного поиска к точному расчету. Учёные разработали уникальный алгоритм, который количественно оценивает сложность поверхности с помощью специального «коэффициента сложности» (α): поверхности с высокой субмикронной сложностью (α>20) обеспечивают наилучшие результаты. Это позволяет предсказать, насколько хорошо та или иная структура будет удерживать клетки определённого типа.
«Мы перешли от интуитивного подбора к точному математическому описанию природных структур. Наш алгоритм позволяет рационально выбирать идеальный шаблон для конкретной задачи, будь то анализ крови или биопсия ткани»
рассказала первый автор статьи, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Мария Баршутина.
Проанализировав с помощью нового метода различные растения, учёные обнаружили, что лепестки растения Анютины глазки (Viola tricolor) обладают уникальной многоуровневой архитектурой: сочетают наноразмерную сложность, надёжно фиксирующую клетку, и полузамкнутые микроскопические полости размером 8–10 микрометров, соответствующим размеру эритроцита.
«Уникальная топография реплики Анютиных глазок создает идеальную ловушку для эритроцита. Клетка мягко фиксируется, а сигнал усиливается в 2–7 раз по сравнению с другими шаблонами. Мы достигли уровня чувствительности, необходимого для перехода к реальным клиническим применениям»
отметил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Сергей Новиков.
Разработка предлагает экономически выгодный путь создания передовых диагностических материалов. Технология не требует дорогостоящего оборудования, что значительно снижает себестоимость сенсоров. В частности, подобные сенсоры могут быть использованы в портативных системах для экспресс-анализа крови, необходимых для клиник и для крупных промышленных компаний, заинтересованных в мониторинге здоровья сотрудников в удалённых регионах, включая нефтегазовый и добывающий секторы.
По словам учёных, технология готова к масштабированию. Универсальность метода позволяет адаптировать его для любых типов клеток. Учёные видят серьёзный потенциал для внедрения технологии в российское здравоохранение и активно ищут индустриальных партнёров.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда.
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
