Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Microchemical Journal.
Сердечно-сосудистые заболевания — основная причина смертности во всем мире. Чтобы оценить риск этих заболеваний, обычно используют анализ крови. Например, одним из маркеров сердечной недостаточности может служить белок NT-proBNP, который выделяется в больших количествах при сильных напряжениях (растяжениях) в клетках миокарда и активно поступает в кровь. Тест на NT-proBNP уже введен в клиническую практику, однако иногда забор крови для его проведения может быть травмирующим для пациента — например, если он находится в палате интенсивной терапии и у него большая кровопотеря. Поэтому физики предложили определять данный маркер по слюне. Концентрация NT-proPNP в слюне человека в тысячу раз ниже, чем в крови, а значит, для точного измерения его количества нужны высокочувствительные приборы.
Ученые из Национального исследовательского университета МИЭТ (Москва) и Института исследований и разработок информационных технологий в биосистемах (Сербия) разработали высокочувствительный сенсор на основе графена — материала, состоящего всего из одного слоя атомов углерода. Графен служил проводником — элементом, по-разному проводящим электрический ток в зависимости от того, есть ли в анализируемом растворе (слюне) белок NT-proPNP. Однако сам по себе графен проявляет слабую чувствительность к этому белку. Чтобы сделать сенсор более восприимчивым к нему, авторы присоединили к графену соответствующий рецептор — молекулу, которую можно сравнить с рецепторами в языке, способными распознавать вещества, отвечающие за тот или иной вкус. Но если на языке рецепторы «по умолчанию» встроены в наши клетки, то графен нужно было искусственно связать с рецептором. Ученые использовали традиционный метод на основе промежуточной «липкой» молекулы, которая связывается с графеном с одной стороны, а с рецептором — с другой.
В результате при наличии белка NT-proPNP в графеновом проводнике изменялась концентрация электронов, по которой и можно было отследить маркер сердечной недостаточности. Ученые использовали только два параметра устройства: проводимость и пороговое напряжение. Способность веществ проводить ток (проводимость) связана с наличием в них носителей заряда. Чем выше была концентрация NT-proPNP, тем больше электронов переносил образец. Пороговое напряжение обратно пропорционально концентрации электронов: если количество заряженных частиц увеличивалась, напряжение падало.
Таким образом, если эти параметры измерять синхронно, то достоверность анализа повышается. Исследователи протестировали разработанный сенсор на искусственной слюне, по химическому составу схожей с естественными образцами. Искусственная слюна при этом более показательна, поскольку ее свойства легче контролировать для проведения измерений. Сенсор определил маркер NT-proPNP менее чем за 10 минут. Подобные анализы сыворотки крови занимают гораздо больше времени: суммарно около 45 минут.
Разработанное устройство позволит на ранней стадии выявлять острую сердечную недостаточность без забора крови, что особенно важно в отделениях интенсивной терапии, когда взятие крови может стать опасным для пациента. Данный тест может в будущем применяться в отделениях скорой помощи, когда необходимо быстро определять возможные причины ухудшения состояния человека. Ранее наиболее распространенным и доступным методом определения концентрации белка NT-proBNP был электрохемилюминесцентный иммуноанализ, срок выполнения которого может составить до пяти дней при сдаче анализа в клинике. В качестве исследуемого материала в нем выступает венозная кровь. Сенсор, разработанный учеными из МИЭТа, подходит для неинвазивного анализа, так как исследуемым материалом служит слюна.
«В работе мы использовали только два параметра сенсора: проводимость и пороговое напряжение. В перспективе можно увеличить их количество для большей достоверности данных, и, хотя специалисту будет трудно сопоставить их, с этим поможет справиться искусственный интеллект. Тем не менее, необходимы еще дополнительные исследования не только в теории, но и в клинической практике, чтобы установить более точную связь между содержанием белка NT-proPNP в слюне и стадией заболевания. В этом нам помогают наши сербские коллеги», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анастасия Кудрявцева, студентка второго курса магистратуры кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ.
