Теперь исследователи Северо-Западного университета разработали новую технологию, которая облегчает подслушивание внутренних разговоров нашего тела.

В то время как химические сигналы организма невероятно слабы, что затрудняет их обнаружение и анализ, исследователи разработали новый метод, который усиливает сигналы более чем в 1000 раз. Транзисторы, строительный блок электроники, могут усиливать слабые сигналы, обеспечивая усиленный выходной сигнал. Новый подход облегчает обнаружение сигналов без использования сложной и громоздкой электроники.

Позволяя усиливать слабые биохимические сигналы, новый подход приближает современную медицину на один шаг к диагностике и мониторингу заболеваний на месте в режиме реального времени.

Исследование было опубликовано в субботу (24 марта) в журнале Сообщения о природе.

"Если бы мы могли надежно измерять биохимические сигналы в организме, мы могли бы встроить эти датчики в носимые технологии или имплантаты, которые имеют небольшую площадь, меньшую нагрузку и не требуют дорогостоящей электроники", - сказал Джонатан Ривней из Northwestern, старший автор исследования. "Но извлечение высококачественных сигналов по-прежнему остается сложной задачей. При ограниченной мощности и пространстве внутри тела вам нужно найти способы усилить эти сигналы ".

Ривней - профессор биомедицинской инженерии в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. Сюдун Джи, научный сотрудник постдокторской лаборатории Ривне, является первым автором статьи.

В то время как они передают жизненно важную информацию, обладающую потенциалом для постановки диагноза и лечения, многие химические датчики выдают слабые сигналы. На самом деле, медицинские работники часто не могут расшифровать эти сигналы, не взяв образец (кровь, пот, слюну) и не пропустив его через высокотехнологичное лабораторное оборудование. Обычно это оборудование стоит дорого и, возможно, даже находится за пределами площадки. И для возвращения результатов может потребоваться мучительно много времени.

Команда Ривне, однако, стремится ощутить и усилить эти скрытые сигналы, даже не покидая тела.

Другие исследователи исследовали электрохимические сенсоры для биосенсорики с использованием аптамеров, которые представляют собой отдельные нити ДНК, сконструированные для связывания с определенными мишенями. После успешного связывания с интересующей мишенью аптамеры действуют подобно электронному переключателю, сворачиваясь в новую структуру, которая запускает электрохимический сигнал. Но при использовании только аптамеров сигналы часто получаются слабыми и очень восприимчивыми к шуму и искажениям, если они не тестируются в идеальных и хорошо контролируемых условиях.

Чтобы обойти эту проблему, команда Ривне оснастила традиционный датчик на основе электрода усилительным компонентом и разработала датчик на основе электрохимического транзистора с новой архитектурой, который может воспринимать и усиливать слабый биохимический сигнал. В этом новом устройстве электрод используется для восприятия сигнала, но расположенный рядом транзистор предназначен для усиления сигнала. Исследователи также внедрили встроенный тонкопленочный электрод сравнения, чтобы сделать усиленные сигналы более стабильными и надежными.

"Мы объединяем мощность транзистора для локального усиления со ссылками, которые вы получаете от хорошо зарекомендовавших себя электрохимических методов", - сказал Джи. "Это лучшее из обоих миров, потому что мы можем стабильно измерять связывание аптамера и усиливать его на месте".

Чтобы проверить новую технологию, команда Ривне обратилась к распространенному цитокину, типу сигнального белка, который регулирует иммунный ответ и участвует в восстановлении тканей. Измеряя концентрацию определенных цитокинов вблизи раны, исследователи могут оценить, насколько быстро заживает рана, есть ли новая инфекция или требуются ли другие медицинские вмешательства.

В серии экспериментов Ривней и его команда смогли усилить сигнал цитокинов на три-четыре порядка по сравнению с традиционными методами определения аптамеров на основе электродов. Хотя технология хорошо зарекомендовала себя в экспериментах по распознаванию сигналов цитокинов, Ривней говорит, что она должна быть способна усиливать сигналы от любой молекулы или химического вещества, включая антитела, гормоны или лекарства, где схема обнаружения использует электрохимические репортеры.

"Этот подход широко применим и не имеет конкретного варианта использования", - сказал Ривней. "Главное видение состоит в том, чтобы внедрить нашу концепцию в имплантируемые биосенсоры или носимые устройства, которые могут как ощущать проблему, так и затем реагировать на нее".

Исследование "Органические электрохимические транзисторы как локальный усилитель сигнала для электрохимического зондирования на основе аптамеров" было поддержано Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (номер гранта D20AC00002).