Биосенсоры на квантовых точках для клинической диагностики
Необычные флуорофоры
Мария Морозова, STRF.ru
В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН создают биосенсоры нового поколения с использованием квантовых точек. О перспективах их применения, в частности в клинической диагностике, рассказывает доктор физико-математических наук, профессор Владимир Александрович Олейников, руководитель проекта «Полупроводниковые нанокристаллы, эффективные флуорофоры для медико-биологических исследований».
Владимир Александрович, ваша научная группа занимается полупроводниковыми нанокристаллами. Расскажите, пожалуйста, о сути исследований?
– Вообще, полупроводниковые нанокристаллы имеют огромный потенциал применения в самых разных направлениях (электроника, светоизлучающие устройства, преобразователи энергии и т. п.). Мы сосредоточили усилия на создании приложений для биологии и медицины и работаем в двух направлениях: во-первых, создаём сенсоры на основе квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов; во-вторых, разрабатываем на их основе инструменты для получения информации от объектов нанометрового диапазона методами ближнепольной микроспектроскопии, а также методы и устройства для решения задач клинической диагностики.
Как именно применяются квантовые точки в диагностике заболеваний?
– Квантовая точка – это очень маленький физический объект размером меньше радиуса экситона Бора. Подобно другим наночастицам, они легко проникают сквозь защитные барьеры организма. А ещё в силу столь малого размера в них возникают квантовые эффекты, например, сильная флуоресценция. Используя это свойство, их можно использовать для визуализации патологий в организме, причём за продвижением флуоресцентных квантовых точек внутри организма можно проследить на разных уровнях (организма в целом, отдельных органов, клеток). Они очень яркие, даже в обычный микроскоп можно видеть отдельные нанокристаллы. Это очень важно и для диагностики, и для терапии, и для хирургии, например, раковой опухоли.
Одним из достоинств квантовых точек является то, что если их возбудить одним источником излучения, то в зависимости от своего диаметра они светят разным светом, соответственно, их можно использовать в качестве флуоресцентных меток. Кроме того, квантовые точки фотоустойчивы, то есть способны долго светиться при воздействии на них излучения высокой плотности мощности.
Ещё один из их плюсов: в зависимости от материала, из которого они сделаны, можно получить флуоресценцию в инфракрасном диапазоне – там, где биологические ткани наиболее прозрачны. При этом эффективность флуоресценции у них не сравнима ни с какими другими флуорофорами, что позволяет их использовать для визуализации различных образований в биологических тканях.
Кроме онкологических патологий, какие ещё заболевания позволяют обнаружить квантовые точки?
– В одной из своих работ мы продемонстрировали возможности квантовых точек в клинической протеомике на примере диагностики аутоиммунного заболевания системного склероза (склеродерма) методом регистрации аутоиммунных антител.
При аутоиммунных заболеваниях собственные белки организма начинают воздействовать на свои же биообъекты (на клеточные стенки и т. д.), что вызывает сильнейшую патологию. При этом в биологических жидкостях появляются аутоиммунные антитела. Этим мы и воспользовались. Надо сказать, к склеродерме существует целый ряд антител. Мы продемонстрировали диагностические возможности квантовых точек на примере двух из них. На поверхность полимерных микросфер, содержащих квантовые точки заданного цвета, наносили антигены к аутоантителам (каждому антигену соответствовал свой цвет микросферы). Тестирующая смесь, кроме микросфер, содержала ещё и вторичные антитела, связанные с сигнальным флуорофором. Далее, в смесь добавляли пробу, и если она содержала искомое аутоантитело, в смеси формировался комплекс микросфера – аутоантитело – сигнальный флуорофор. По существу, аутоантитело выступало линкером, связывающим микросферу определённого цвета с сигнальным флуорофором. И дальше с помощью проточной цитометрии мы анализировали эти микросферы. Появление одновременного сигнала от микросферы и сигнального флуорофора свидетельствовало о том, что произошло связывание, и на поверхности микросферы образовался комплекс, включающий вторичные антитела с сигнальным флуорофором. В этот момент фактически светили кристаллы микросфер и сигнальный флуорофор, который был связан с вторичным антителом. Одновременное появление того и другого сигнала показывает, что в смеси присутствует детектируемая мишень – аутоантитело, являющееся маркёром заболевания. Это классический «сэндвичевый» метод регистрации, когда у нас есть две распознающие молекулы. Мы продемонстрировали возможность одновременного анализа нескольких маркёров, что позволяет говорить о высокой достоверности диагностики и возможности создания препаратов для определения заболевания на самой ранней стадии.
В чём преимущество разработанного вами способа диагностики с применением квантовых точек перед другими методами, в которых также используются наночастицы?
– Применение даже самых точных методов ограничивают какие-либо факторы. Так, например, в настоящее время всё большее распространение получают приборы фирмы Luminex, основанные на использовании т. н. «жидких микрочипов» – микросфер, спектрально кодированных органическими красителями двух цветов. В приборах Luminex используются два лазера, число возможных кодов – около 100. Применение для спектрального кодирования квантовых точек позволяет ограничиться одним лазером, а число распознаваемых кодов значительно увеличить. Однако в существующих приборах квантовые точки использовать весьма проблематично, так как у них иные свойства, нежели у обычно применяемых органических флуорофоров. Нужны новые приборы, которые смогут детектировать новый тип флуорофоров (в частности, условия их возбуждения) и будут иметь специальные системы регистрации и обработки получаемых данных и т. д. Над такими приборами мы сейчас работаем.
Как ваши разработки по квантовым точкам оценивает научное сообщество?
– Могу лишь отметить, что мы развиваем эти направления в рамках российских и международных проектов при участии других научных групп из Москвы и Санкт-Петербурга, а также учёных из Франции, Белоруссии, Германии, Ирландии, Испании. Например, диагностика системного склероза была проведена в госпитале города Реймс (Франция). Результаты диагностики были исследованы в Реймском университете: достоверность определения заболевания близка к 100 процентам. Мы планируем начать совместные разработки по диагностике рака с Российским онкологическим научным центром им. Н. Н. Блохина РАМН.
Каковы дальнейшие планы вашей исследовательской группы?
– Одно из приоритетных направлений нашего института – разработка систем, включающих квантовые точки и биологические молекулы. В рамках этого направления мы сейчас работаем над созданием гибридной системы на основе бактериородопсина. В частности, по гранту РФФИ выполняем совместно с сотрудниками кафедры биофизики МГУ имени М. В. Ломоносова проект, который называется «Нанобиотехнологические гибридные материалы на основе бактериородопсина и квантовых точек для биосенсорики, оптоэлектроники и преобразования энергии». Уже первые результаты являются весьма многообещающими.
Также мы развиваем подход, основанный на эффекте резонансного переноса энергии, так называемый FRET-формат. Применение квантовых точек во FRET-формате позволяет существенно снизить уровень шума и, следовательно, повысить чувствительность и достоверность детекции. Нам удалось продемонстрировать это на примере одной диагностической системы.
Наши исследования проводятся при тесном сотрудничестве с учёными, работающими в других направлениях, с коллегами из других стран. Это позволяет резко ускорить получение научных результатов, решений, стимулирует развитие новых технологий.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
02.10.2009