Αισθητήρας βασισμένος στο φως ανιχνεύει χαμηλές συγκεντρώσεις βιοδεικτών καρκίνου
Ερευνητές έχουν αναπτύξει έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα που χρησιμοποιεί το φως για να ανιχνεύει πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις βιοδεικτών καρκίνου στο αίμα. Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία θα μπορούσε στο μέλλον να διευκολύνει την πρώιμη ανίχνευση του καρκίνου και άλλων παθήσεων μέσω απλών εξετάσεων αίματος.
Η σημασία των βιοδεικτών στην ιατρική διάγνωση
Οι βιοδείκτες, όπως οι πρωτεΐνες, το DNA και άλλα μόρια, μπορούν να αποκαλύψουν την παρουσία, την πρόοδο ή τον κίνδυνο καρκίνου και άλλων ασθενειών. Ωστόσο, ένα από τα κύρια προβλήματα στην πρώιμη διάγνωση είναι η εξαιρετικά χαμηλή συγκέντρωση των βιοδεικτών κατά την έναρξη της νόσου.
Πώς λειτουργεί ο νέος αισθητήρας
Ο αισθητήρας συνδυάζει νανοδομές από DNA με κβαντικά σημεία και τεχνολογία γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR για να ανιχνεύει αμυδρούς βιοδεικτικούς σήματα μέσω μιας μεθόδου φωτός γνωστής ως δεύτερη αρμονική παραγωγή (SHG). Αν αυτή η προσέγγιση αποδειχθεί επιτυχής, θα μπορούσε να διευκολύνει τη θεραπεία ασθενειών, να βελτιώσει τα ποσοστά επιβίωσης και να μειώσει το συνολικό κόστος υγειονομικής περίθαλψης.
Ο Χαν Ζανγκ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο Σεντζέν της Κίνας, ανέφερε ότι ο αισθητήρας τους μπορεί να ανιχνεύσει βιοδείκτες καρκίνου του πνεύμονα από δείγματα ασθενών σε υπο-αττομόλιες συγκεντρώσεις, παράγοντας καθαρό σήμα ακόμη και όταν υπάρχουν ελάχιστα μόρια στο δείγμα. Η τεχνική ανίχνευσης έχει σχεδιαστεί να είναι προγραμματιζόμενη, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει την ανίχνευση ιών, βακτηρίων ή περιβαλλοντικών τοξινών, καθώς και διάφορων βιοδεικτών που σχετίζονται με ασθένειες όπως η νόσος Αλτσχάιμερ.
Προοπτικές για την πρώιμη διάγνωση και παρακολούθηση
«Αυτή η μέθοδος προσφέρει υποσχέσεις για την πραγματοποίηση απλών εξετάσεων αίματος για τον καρκίνο του πνεύμονα πριν ο όγκος είναι ορατός σε αξονική τομογραφία», δήλωσε ο Ζανγκ. «Επιπλέον, θα μπορούσε να βοηθήσει στην προώθηση εξατομικευμένων θεραπευτικών επιλογών, επιτρέποντας στους γιατρούς να παρακολουθούν τα επίπεδα των βιοδεικτών ενός ασθενούς καθημερινά ή εβδομαδιαία, αντί να περιμένουν μήνες για τα αποτελέσματα απεικόνισης.»
Η ανίχνευση των βιοδεικτών συνήθως απαιτεί την ενίσχυση μικρών ποσοτήτων μορίων, μια διαδικασία που μπορεί να είναι χρονοβόρα και δαπανηρή. Στην παρούσα έρευνα, οι επιστήμονες επιδίωξαν να αναπτύξουν μια άμεση προσέγγιση ανίχνευσης που θα μπορούσε να ταυτοποιήσει βιοδείκτες χαμηλής συγκέντρωσης χωρίς περίπλοκα βήματα ενίσχυσης.
Ο νέος αισθητήρας βασίζεται στη διαδικασία SHG, μια μη γραμμική οπτική διαδικασία όπου το εισερχόμενο φως μετατρέπεται σε φως με μισό μήκος κύματος. Σε αυτή την περίπτωση, η SHG συμβαίνει στην επιφάνεια του δισδιάστατου ημιαγωγού μολοβδαινίου διθείου (MoS₂).
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τετραεδρικά DNA – αυτοσυναρμολογούμενες, πυραμιδοειδείς νανοδομές φτιαγμένες αποκλειστικά από DNA – για να συνδέσουν μικροσκοπικά κβαντικά σημεία σε ακριβείς αποστάσεις από την επιφάνεια του MoS₂. Αυτά τα κβαντικά σημεία ενισχύουν το τοπικό οπτικό πεδίο, ενισχύοντας το σήμα SHG.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν την επεξεργασία γονιδίων CRISPR-Cas για να ανιχνεύσουν συγκεκριμένους βιοδείκτες. Όταν η πρωτεΐνη Cas12a αναγνωρίζει έναν στόχο βιοδείκτη, κόβει το DNA που κρατά τα κβαντικά σημεία στη θέση τους, προκαλώντας μια μετρήσιμη πτώση στο σήμα SHG. Δεδομένου ότι το σήμα SHG έχει ελάχιστο θόρυβο φόντου, ακόμη και πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις βιοδεικτών μπορούν να ανιχνευθούν.
«Αντί να βλέπουμε το DNA μόνο ως βιολογική ουσία, το χρησιμοποιούμε ως προγραμματιζόμενα δομικά στοιχεία, επιτρέποντάς μας να συναρμολογούμε τα στοιχεία του αισθητήρα μας με ακρίβεια σε νανομέτρα», δήλωσε ο Ζανγκ. «Συνδυάζοντας την οπτική μη γραμμική ανίχνευση, που ελαχιστοποιεί αποτελεσματικά το θόρυβο φόντου, με έναν σχεδιασμό χωρίς ενίσχυση, η μέθοδός μας προσφέρει μια ξεχωριστή ισορροπία ταχύτητας και ακρίβειας.»
Οι ερευνητές δοκίμασαν τον αισθητήρα ανιχνεύοντας το miR-21, έναν μικροRNA βιοδείκτη που σχετίζεται με τον καρκίνο του πνεύμονα. Μετά την επιβεβαίωση ότι μπορούσε να ανιχνεύσει αυτόν τον δείκτη σε μια απλή διάλυση, απέδειξαν επίσης ότι μπορούσε να ανιχνεύσει τον βιοδείκτη σε ανθρώπινο ορό από ασθενείς με καρκίνο του πνεύμονα, προσομοιώνοντας μια πραγματική εξέταση αίματος.
«Ο αισθητήρας λειτούργησε εξαιρετικά καλά, αποδεικνύοντας ότι η ενσωμάτωση οπτικής, νανοϋλικών και βιολογίας μπορεί να είναι μια αποτελεσματική στρατηγική για τη βελτιστοποίηση μιας συσκευής», δήλωσε ο Ζανγκ. «Ο αισθητήρας ήταν επίσης εξαιρετικά συγκεκριμένος – αγνοώντας άλλες παρόμοιες RNA αλυσίδες και ανιχνεύοντας μόνο τον στόχο του καρκίνου του πνεύμονα.»
