В марте 2019 года химик Жан-Франсуа Массон и его коллеги проверяли один из крупнейших экспортных продуктов провинции Квебек - кленовый сироп.
Исследователи собирались оценить новый тип устройства контроля качества, способного обнаружить искажающие вкус молекулы, которые обычно остаются незамеченными для неподготовленного языка. Массон и его коллеги из Монреальского университета тестировали разработанный ими портативный нанофотонный биосенсор - устройство, состоящее из компонентов нанометрового размера, которое использует свойства света для определения конкретных биологических соединений.
Этот сенсор представлял собой небольшую пробирку с раствором частиц золота диаметром порядка одной миллиардной части метра. Аминокислоты и амины, искажающие вкус, связываются с частицами золота и вызывают их агрегацию, изменяя взаимодействие света с раствором. В результате раствор меняет цвет с красного на синий - изменение, которое можно увидеть невооруженным глазом в течение нескольких минут. В ходе проверочных испытаний 1 818 образцов сиропа сенсор смог определить 98% образцов с посторонним вкусом. Устройство было простым в использовании и персонал провел испытания с относительной легкостью. После этого команда расширила свой рабочий процесс на кленовый сок - из которого делают сироп - и сейчас работает с производителями сиропа, чтобы сделать устройства доступными для широкого использования.
По словам Массона, датчик кленового сиропа относится к самым простым типам нанофотонных устройств. Но он демонстрирует возможности нанофотонных биосенсоров в качестве устройств, которые могут быть установлены непосредственно на месте, где требуются результаты. Он и другие исследователи работают над созданием тестов для широкого спектра применения - от раннего выявления рака и нейродегенеративных заболеваний до мониторинга загрязнения окружающей среды.
Интерес к использованию нанофотоники в биосенсорах резко возрос после пандемии COVID-19. До этого было трудно убедить компании инвестировать в эту технологию, но огромный спрос на тесты во время вспышки заболевания дал понять, что "нам нужны биосенсоры в полевых условиях практически для всего, а не только для COVID-19", - говорит нанотехнолог Лаура Лекьюга, руководитель группы в Каталонском институте нанонауки и нанотехнологий в Барселоне, Испания. Экспресс-тесты стали бесценным инструментом для смягчения распространения коронавируса SARS-CoV-2. Но когда случаи заболевания резко возросли, переполненным больницам не хватало возможностей для приема пациентов с другими заболеваниями, что означало, что многим приходилось долго ждать диагноза. Для таких заболеваний, как рак, это иногда может означать разницу между жизнью и смертью, добавляет Лекьюга.
Несмотря на растущий интерес со стороны промышленности, предстоит пройти долгий путь, прежде чем нанофотонные сенсоры, более сложные, чем кленово-сиропный сенсор Массона, можно будет использовать в реальной жизни. Хатиче Алтуг, прикладной физик из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL), говорит, что хотя изначально исследователи сосредоточились на создании технологии, лежащей в основе этих датчиков, в последние годы основное внимание было сосредоточено на демонстрации доказательной базы в различных приложениях. Но такие проблемы, как стоимость и сложность биологических образцов, остаются, говорит она.
Тем не менее, Алтуг вдохновляет потенциальное будущее. После того как она и ее коллеги опубликовали в январе обзор технологии нанофотонных биосенсоров , они получили множество запросов от людей из различных коммерческих секторов, включая диагностику, пищевую промышленность и производство оборудования, которые хотели знать, доступны ли эти приборы в продаже и где они находятся, говорит она. "Очень приятно, что конечный пользователь находится рядом".
Использование света
Биосенсоры используют биологические компоненты, такие как антитела, ферменты или нуклеиновые кислоты, для улавливания и количественного определения вещества в биологическом образце. Нанофотонные биосенсоры - это подгруппа таких устройств, которые обнаруживают взаимодействие между распознающими элементами и целевыми молекулами, применяя принцип эванесцентного поля.
Эванесцентное поле - это быстро затухающее электромагнитное поле. В классе датчиков, известных как наноплазмоники, свет кратковременно взаимодействует с материалами этих датчиков, такими как частицы золота нанометрового размера, создавая плазмонную эванесцентную волну - группу заряженных частиц, которые колеблются вместе на определенной частоте (или резонансной частоте). На это влияют такие факторы, как форма, размер, состав частиц и внешняя среда.
Когда происходит молекулярное взаимодействие, резонанс этой плазмонной волны меняется, изменяя свойства отраженного света. (Аналогичное явление происходит в витражах: свет, отражаясь от металлических наночастиц, создает множество оттенков). Это приводит к заметному изменению цвета света, которое можно обнаружить невооруженным глазом, хотя иногда требуется прибор для измерения. Это явление, известное как поверхностный плазмонный резонанс, широко используется в биосенсорах. (Поверхностный плазмонный резонанс - это резонансное колебание электронов проводимости на границе раздела отрицательной и положительной диэлектрических проницаемостей материала, стимулируемое падающим светом - Википедия).
Представьте себе "поющие" винные бокалы. Если провести мокрым пальцем по ободку частично наполненного винного бокала, то возникает звук определенной частоты, которая меняется в зависимости от объема жидкости в бокале. Нанофотоника работает по аналогичному принципу, говорит Райан Бейли, химик из Мичиганского университета. "Когда биомолекулы связываются с поверхностью датчика, это, по сути, изменяет количество воды в стакане".
Другие нанофотонные биосенсоры по-разному используют принцип эванесцентного поля и резонанс. Например, диэлектрические устройства , изготовленные из материалов, включая кремний, работают с использованием таких методов, как интерферометрия. При этом анализируются узоры, возникающие при наложении световых волн.
Каким бы ни был их точный механизм, Алтуг описывает нанофотонные блоки, лежащие в основе этих датчиков, как светопритягивающие антенны - и чем меньше размеры структуры, тем больше они концентрируют свет, в результате чего более мелкие вещества попадают в окно детекции. Именно это делает эти датчики такими чувствительными, говорит она. Это также позволяет исследователям настраивать биосенсоры в соответствии с размером молекулы, которую они пытаются обнаружить. "Эванесцентные волны позволяют ограничить электромагнитные поля размерами, сравнимыми с размерами молекул", - объясняет Иржи Гомола, физик из Института фотоники и электроники Чешской академии наук в Праге.
По словам Лекьюги, нанофотонные сенсоры имеют ряд преимуществ перед другими типами биосенсоров: они могут предоставлять информацию в режиме реального времени, не требуя использования меток, таких как флуоресцентные метки, и являются чрезвычайно чувствительными. Исследователи показали, например, что нанофотонный сенсор может обнаруживать белки в аттомолярных концентрациях (10-18 моль), что эквивалентно примерно 6 молекулам в 10 микролитрах образца. По словам Лекьюги, относительная простота этих датчиков делает их хорошо подходящими для применения в медицинских учреждениях. И, в отличие от других методов диагностики, они могут определить не только наличие или отсутствие молекулы, но и ее количество - измерение, которое обычно возможно только с помощью таких методов, как полимеразная цепная реакция.
Нанофотонный кремниевый биосенсор может обнаружить биомаркеры рака в нескольких каплях плазмы крови. Фото: Lechuga Group
Для некоторых исследователей, таких как Массон, наноплазмоника привлекательна тем, что металлические наночастицы можно относительно легко синтезировать, благодаря усилиям, которые были приложены к их разработке за последние 10-15 лет. Их производство превратилось из искусства в воспроизводимую науку, говорит Массон, и теперь их могут создавать студенты старших курсов. "В прошлом это было бы очень, очень сложно". Массон отмечает, что золото - один из самых простых материалов для работы. Изготовление кремния, напротив, требует специализированных чистых помещений, поэтому биосенсоры на основе кремния менее доступны для исследователей.
Однако Алтуг отмечает, что, когда речь идет о крупномасштабном производстве, наночастицы на основе кремния имеют преимущество перед металлическими. Это связано с тем, что они производятся в рамках того же процесса, что и электроника на основе кремния, поэтому теоретически их можно производить в больших масштабах на существующих заводах. Однако таким же образом можно создавать и альтернативные наноплазмонные материалы, например, алюминий. Исследователи работают над их разработкой, поэтому массовое производство наноплазмоники должно стать возможным в ближайшем будущем, считает Алтуг.
Широкое применение
Современные нанофотонные биосенсоры могут обнаруживать широкий спектр молекул - часто это просто вопрос выбора правильного реагента для захвата. Однако, по словам Массона, эти сенсоры более эффективны при определении больших молекул, таких как антитела и ферменты, чем при обнаружении малых молекул, таких как метаболиты. Тем не менее, это разнообразие поддерживает широкий спектр потенциальных применений. "Если вы поговорите с 20 различными исследователями в этой области, они дадут вам 20 различных ответов о том, какое применение является наилучшим", - добавляет Массон.
Фотонные биосенсоры уже используются в клиниках и исследовательских лабораториях - поверхностно-плазмонные резонаторы существуют с 1990-х годов. Например, платформа Biacore от диагностической компании Cytiva (бывшая GE Healthcare Life Sciences) является популярным вариантом для количественной оценки межмолекулярных взаимодействий в биохимических лабораториях. А в 2007 году Бейли помог основать компанию Genalyte в Сан-Диего, Калифорния, которая в настоящее время предлагает на рынке фотонные биосенсоры. В их число входит фотонное устройство на основе кремния, которое может одновременно проводить более 20 скринингов на признаки аутоиммунных заболеваний. Другие группы разрабатывают такие устройства для применения в диагностике заболеваний, оценке продуктов питания и мониторинге окружающей среды.
Особый интерес представляет область здравоохранения. Например, одним из направлений работы группы Лекьюги являются инфекционные заболевания. В декабре прошлого года ее группа сообщила о разработке портативного нанофотонного теста на антитела к COVID-19. В ходе клинической проверки с использованием образцов от 100 пациентов с диагнозом COVID-19 и от 20 COVID-19-отрицательных людей (собранных до пандемии) тест показал чувствительность 99% и специфичность 100%. Он также предоставил информацию о количестве присутствующих антител.
Алтуг и ее коллеги разрабатывают сенсоры для нейродегенеративных заболеваний. Например, используя массив золотых наноантенн для обнаружения белков, таких как α-синуклеин, которые при болезни Паркинсона неправильно сворачиваются и превращаются в токсичные агрегаты , они надеются точно определить биохимические изменения в мозге, которые происходят за годы до начала болезни. Обнаружение этих конформационных изменений может открыть путь к раннему вмешательству, утверждает Алтуг. Использование таких инструментов для изучения того, как происходит неправильное сворачивание белков, может также помочь исследователям в поиске новых терапевтических средств, способных остановить патологический процесс, добавляет она.
Несколько групп работают над созданием скрининговых инструментов для раннего выявления рака или мониторинга эффективности лечения путем создания нанофотонных биосенсоров, способных точно определять специфические биомаркеры, ДНК, белки и цитокины. Например, в мае 2021 года Алтуг и ее коллеги сообщили , что один из их биосенсоров может обнаруживать некоторые внеклеточные везикулы, называемые экзосомами - нанометрового размера мешочки, выбрасываемые клетками, которые содержат такие компоненты, как ДНК и белки. Команда Алтуг отслеживала экзосомы, высвобожденные клетками рака молочной железы, в режиме реального времени с пределом обнаружения 267 нанограмм на миллилитр. Такая концентрация, как пишут авторы, "является "клинически значимой для обнаружения связанных с раком [внеклеточных везикул]".
Но когда речь заходит об устройствах для point-of-care, препятствия остаются. Главным из них является экономика - производственные затраты остаются высокими, поэтому трудно убедить компании производить устройства в достаточно больших количествах, чтобы сделать их экономически эффективными, отмечает Алтуг. Другая проблема заключается в сложности биологических материалов, таких как кровь, которые могут значительно отличаться как у разных пациентов, так и у одного пациента. Устранение этой изменчивости при сохранении низкой стоимости остается сложной задачей, добавляет она.
На рынке существует множество оптических датчиков, но они не портативны, и большинство из них необходимо использовать в лабораторных условиях, объясняет Элени Маркарона, физик из Института нанонауки и нанотехнологий в Афинах. Ее команда разработала настраиваемую нанофотонную платформу, которая может быть использована для различных применений, включая точное определение вредных веществ в пище и выявление биомаркеров заболеваний. "Вопрос в том, как сделать эти приборы такими, чтобы они помещались в сумочку или небольшой чемодан, чтобы носить их с собой, не теряя при этом аналитических возможностей и не делая их слишком дорогими?".
Устройства нового поколения
Хотя работа еще не завершена, многие исследователи уже заглядывают в будущее нанофотоники для point-of-care. Некоторые разрабатывают носимые и имплантируемые нанофотонные устройства, которые могли бы обеспечить непрерывный мониторинг важных биомолекул, таких как глюкоза. Однако остаются значительные проблемы. По словам Массона, самые большие проблемы связаны с трудностями доставки света внутрь тела и склонностью организма отторгать инородные объекты.
Биомедицинский инженер Эден Моралес-Нарваес из Центра исследований оптики в Леоне, Мексика, возглавляет группу, которая занимается разработкой носимых датчиков. В рамках одного из подходов они внедряют нанофотонные материалы, такие как золото, в нанобумагу - прозрачный и гибкий материал, изготовленный из наноцеллюлозы, вещества, производимого бактериями. Его группа уже использовала этот подход для разработки татуировки в виде носимого нанофотонного пластыря, который меняет цвет, когда пользователь подвергается вредному воздействию ультрафиолетового излучения. Дизайн пластыря относительно прост, поскольку в нем нет биомолекул, но сотрудники Моралеса-Нарваеса работают над интеграцией возможностей биосенсинга в свои нанофотонные устройства. По словам Моралеса-Нарваеса, это непростая задача, поскольку она связана с добавлением сложных компонентов.
Прежде чем нанофотонные биосенсоры станут широко доступными, исследователи должны продемонстрировать их как надежную технологию, которую можно использовать в клинике, аптеке, дома или где-либо еще, говорит Лекьюга.
Она мечтает о своего рода диагностическом "аппарате Nespresso": едином устройстве с различными картриджами, содержащими нанофотонные датчики для использования в различных клинических приложениях.
Она и ее коллеги открывают новую компанию под названием EROICA Diagnostics для коммерциализации этого подхода. "По сравнению с тем, что было десять лет назад, мы добились действительно хорошего прогресса", - говорит Алтуг. "Еще через десять лет, возможно, мы сможем сравнивать полученные изделия".
