Принципиально новый чип на основе оксида графена позволяет тестировать лекарственные препараты вне живого организма. Технология может произвести революцию в создании новых лекарств и помочь врачам в ближайшем будущем победить неизлечимые заболевания.

Ученые из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ создали на основе оксида графена сверхчувствительный биосенсор, который открывает новые возможности в медицине и фармацевтике — он поможет в создании новых лекарств и вакцин от опасных инфекционных заболеваний, таких как ВИЧ, гепатиты, герпес, а также рака и многих других болезней. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Безмаркерные биосенсоры сравнительно недавно появились в лабораториях биохимиков и фармацевтов, значительно облегчив и упростив их работу. Эти сенсоры позволяют обнаруживать исчезающе малые концентрации веществ и исследовать их химические свойства. В отличие от других биохимических методов, для работы биосенсоров не нужно «цеплять» к молекулам образцов флюоресцентные или радиоактивные метки-маркеры, без которых искомое вещество оставалось «невидимым».

Группа из лаборатории нанооптики и плазмоники, входящей в состав центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, разрабатывает биосенсоры, основанные на использовании поверхностных плазмонов — электромагнитных волн, возникающих на границе проводника и диэлектрика в результате резонансного взаимодействия между фотонами и электронами. Параметры этого резонанса зависят от свойств поверхности настолько сильно, что даже ничтожные количества «постороннего» вещества заметно на них влияют. Биосенсоры в состоянии обнаружить присутствие триллионных долей грамма детектируемого вещества на площадке в квадратный миллиметр.

Такие «способности» позволяют в корне упростить многие исследовательские процедуры в медицине и биологии, но самое интересное свойство биосенсоров в том, что они позволяют ученым наблюдать за взаимодействием молекул в «реальном времени».

«С их помощью мы можем проследить, как идет та или иная химическая реакция, можем оценить ее скорость, а значит, можем точно определить, как действует то или иное вещество на клетку, на болезнетворную бактерию, — говорит один из авторов исследования Юрий Стебунов. — Это значит, что в недалеком будущем предклинические испытания лекарств могут проводиться принципиально новым способом — чтобы точно предсказать действие препарата, достаточно будет проследить взаимодействие лекарственных препаратов с живой тканью прямо на биосенсоре. Это революция в создании новых лекарств: биосенсоры значительно повысят эффективность предклинических исследований и, возможно, в ближайшем будущем помогут победить пока еще неизлечимые заболевания».

Существующие сейчас сенсорные чипы — тонкие пластинки размером сантиметр на сантиметр, где осаждаются исследуемые образцы, — делаются в основном из стекла, покрытого тонким слоем золота. На чипах создают либо слой тиоловых молекул, либо слой полимера (чаще всего на основе карбоксиметилированного декстрана). Снизу под чипом находится лазер, которые возбуждает плазмонный резонанс, его характеристики считывает с отраженного луча фотодетектор.

Чувствительность биосенсора зависит от свойств поверхности — точнее от того, сколько молекул исследуемого вещества сможет присоединиться к пластинке. Перспективным материалом для биосенсоров считается графен: он обладает большой площадью поверхности, дешев в изготовлении, а также взаимодействует с большим числом биологических молекул.

Стебунов и его коллеги создали и запатентовали принципиально новый тип чипов с покрытием из оксида графена — материала, обещающего даже большую эффективность, чем чистый графен. Они нанесли «хлопья» оксида графена на стеклянную пластинку, покрытую слоем золота толщиной 35 нанометров. Затем на эту поверхность осадили слой из белка стрептавидина, который служил «ловушкой» для молекул. Далее ученые установили чип в биосенсор компании BiOptix и проследили, как параметры плазмонного резонанса реагируют на присутствие сложных органических молекул — однониточных фрагментов ДНК. Затем похожие эксперименты были проведены с биосенсорами на основе графена и коммерчески доступным чипом на основе карбоксиметилированного декстрана.

Измерения показали, что сенсор на основе оксида графена в три раза чувствительнее чипа на основе декстрана и в 3,7 раза — сенсора на чистом графене. Это означает, что новому чипу требуется в несколько раз меньше молекул, чтобы обнаружить то или иное вещество. Кроме того, «оксидный» сенсор после простой процедуры регенерации (промывки щелочью) можно было использовать еще несколько раз. Немаловажно, что оксид графена дешевле и проще в производстве.

Ученые отмечают, что созданное ими устройство — уже фактически прототип, пригодный для начала серийного производства и выхода на рынок.

«Наш чип можно использовать в разработке лекарств от инфекционных, онкологических и других типов заболеваний, — говорит Стебунов. — Поэтому мы рассчитываем на серьезный интерес со стороны фармацевтических компаний к нашей разработке. Этот сенсор можно использовать и для контроля качества продуктов, в поиске токсинов и аллергенов, в медицинской диагностике, что поможет уменьшить время на выполнение анализов с суток до минут».

Вместе с тем он отметил, что до внедрения в клиническую практику эти сенсоры необходимо упростить и провести через процедуру испытаний. По его оценкам, при массовом производстве биочип на оксиде графена может стоить менее 10 долларов, при том, что биочипы, которые есть на рынке, сейчас стоят от 80 до 200 долларов.

Исследование поддержано Министерством образования и науки Российской Федерации (проектная часть государственного задания № 16.19.2014/К) и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5–100». Использовано оборудование Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ (RFMEFI59414×0009).

Авторы исследования благодарят за помощь компанию BiOptix и ее сотрудников Бориса Хаттатова и Вячеслава Петропавловских, а также сотрудников Кафедры технологического предпринимательства РОСНАНО — МФТИ, где начиналось это исследование.