Ученые из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ создали на основе оксида графена сверхчувствительный биосенсор. Он сможет помочь в создании новых лекарств и вакцин. По словам учёных, это принципиально новый чип, который позволяет тестировать лекарственные препараты вне живого организма.
Безмаркерные биосенсоры позволяют обнаруживать и исследовать химические свойства веществ при очень малой их концентрации. При этом отсутствует необходимость прикреплять к молекулам образцов метки-маркеры (обычно они флюоресцентные или радиоактивные), чтобы это вещество стало видимым для приборов.
Разработка учёных физтеха основана на использовании поверхностных плазмонов — электромагнитных волн, возникающих на границе проводника и диэлектрика в результате резонансного взаимодействия между фотонами и электронами. Благодаря тому, что параметры резонанса критично зависят от свойств поверхности, можно обнаружить очень малое количество присутствующего на ней вещества.
Например, на площадке в квадратный миллиметр такой сенсор может найти триллионную долю грамма вещества. При этом основанный на подобном датчике прибор может наблюдать за реакцией 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. Чувствительность биосенсора зависит от свойств поверхности, то есть, 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 тип чипов с покрытием из оксида графена.
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, такой сенсор после промывки щёлочью можно использовать несколько раз, а ещё он дешевле и проще в производстве.
«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».
До внедрения в клиническую практику необходимо будет провести ряд усовершенствований и испытаний. При массовом производстве биочип на оксиде графена может стоить менее 10 долларов. Существующие на рынке биочипы стоят от 80 до 200 долларов.