Пол-иголки в стоге сена: новый экспресс-метод найдет ультрамалые концентрации низкомолекулярных веществ
Ученые разработали первый в мире ультрачувствительный метод быстрой детекции низкомолекулярных соединений. Он может использоваться для обнаружения следов токсинов и гормонов, важных для современной медицинской диагностики и многих других целей.
Российские исследователи из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и Московского физико-технического института разработали первый в мире ультрачувствительный метод быстрой детекции низкомолекулярных соединений. Он может использоваться для обнаружения следовых количеств токсинов, гормонов, витаминов и биологически активных малых молекул, важных для современной медицинской диагностики, контроля безопасности пищевых продуктов и многих других целей. Исследование опубликовано в журнале Analytica Chimica Acta.
Разработанный учеными иммунохимический анализ, основанный на магнитных метках, занимает менее 30 минут, но при этом в 100 раз чувствительнее иммуноферментного анализа (ИФА), применяющегося при стандартных лабораторных исследованиях. Эффективность подхода была продемонстрирована на примере измерения концентрации в плазме крови человека тироксина - одного из основных гормонов, используемых для мониторинга состояния щитовидной железы. Доступность и простота процедуры разработанной тест-системы позволяют проводить диагностику непосредственно на месте забора биоматериала.
Высокая чувствительность при детекции малых молекул необходима именно потому, что низкомолекулярные вещества зачастую оказывают сильное влияние на организм даже в небольших концентрациях. Сегодня для измерения концентраций таких соединений широко применяется иммуноферментный анализ. Он характеризуется высокой трудоемкостью и может проводиться только квалифицированным персоналом в специально оборудованных лабораториях. Для увеличения чувствительности при детекции гормонов щитовидной железы все еще используется радиоиммунный анализ, который основан на применении радиоактивных меток с малым временем полураспада и поэтому имеет существенные ограничения и потенциально небезопасен. Кроме того, традиционные методы требуют длительного времени пробоподготовки и наличия специализированного оборудования.
Существует еще и иммунохроматографический анализ (ИХА), используемый, например, в стандартных тестах на беременность. Он менее трудоемок, чем ИФА. Однако такой метод во многих странах одобрен только для получения пороговых результатов и случаев, не требующих высокой чувствительности анализа. Таким образом, одной из первостепенных задач в области медицинской диагностики является разработка быстрого и простого высокочувствительного метода детекции малых молекул.
Рисунок 1. Схема предложенного метода детекции тироксина (обозначения: Т4 - тироксин, Т4-bit - бифункциональный лиганд тироксина с биотином, МP-Аб - антитела к биотину, меченые магнитными наночастицами) / Пресс-служба МФТИ
Новая аналитическая система, созданная совместно учеными ИОФ РАН и МФТИ, представляет собой модификацию иммунохроматографического анализа с применением магнитных нанометок и бифункциональных лигандов. В качестве модели для изучения ее возможностей выбрали определение основного гормона щитовидной железы - тироксина, что сообщило работе и клиническую значимость.
Разработанный магнитный иммуноанализ реализован иначе, чем традиционные форматы ИХА (рис. 1). К сыворотке крови пациента, содержащей исследуемый свободный тироксин, добавляются антитела, помеченные магнитными наночастицами, и бифункциональный лиганд тироксина. Бифункциональный лиганд представляет собой молекулу тироксина, ковалентно связанную с биотином с помощью разделяющего их в пространстве «мостика». Антитела на магнитных наночастицах, таким образом, имеют возможность связывать как тироксин из сыворотки крови, так и бифункциональный лиганд.
Спустя некоторое время, дав молекулам в растворе возможность связаться друг с другом, его наносят на мембрану. В случае взаимодействия с бифункциональным лигандом частицы задерживаются на тестовой линии из стрептавидина, белка с сильным сродством к биотину. Фактор высокого сродства, а также высокочувствительный подсчет связавшихся с мембраной в результате реакции магнитных нанометок обеспечивают беспрецедентную чувствительность анализа. Достигнутый предел детекции гормона составил 16 фг/мл (или 20 фемтомоль/литр, что соответствует миллиону молекул в одном миллилитре раствора) в динамическом диапазоне 3 порядка.
Использованные оригинальные электронные приборы для считывания результатов анализа основаны на сверхчувствительном методе детекции магнитных наночастиц MPQ (англ. - magnetic particle quantification). Он базируется на явлении нелинейного перемагничивания частиц переменным магнитным полем на двух частотах и регистрации индукционного отклика на комбинаторных частотах.
Поясняет руководитель исследований и заведующий лабораторией ИОФ РАН Петр Никитин (выпускник МФТИ 1979 года): «Разработанные методы измерения концентраций низкомолекулярных веществ используют универсальные иммунохроматографические полоски со стрептавидином на распознающей линии, поэтому их нетрудно тиражировать. Многообразие возможных тестов на иные аналиты требует стандартных антител и специальных бифункциональных лигандов, синтез которых для разнообразных малых молекул - весьма непростая задача. К счастью, в нашем арсенале имеются ранее разработанные оригинальные интерферометрические методы и приборы, которые позволяют в режиме реального времени регистрировать динамику молекулярных взаимодействий. С помощью таких приборов были выбраны оптимальные иммунореагенты и бифункциональные лиганды „тироксин-биотин", обеспечивающие за счет специальных пространственно разделяющих молекулярных „мостиков" хорошую доступность обеих малых молекул для эффективного взаимодействия с двумя большими молекулами одновременно: с распознающим антителом и со стрептавидином. Это сэкономило много времени при разработке тестов и во многом способствовало успеху в работе».
Ведущий автор исследования Алексей Орлов, научный сотрудник ИОФ РАН и лаборатории нанобиотехнологий МФТИ, говорит: «Мы используем в качестве нанометок иммунохимических реакций магнитные частицы, которые регистрируются количественно с рекордно высокой чувствительностью со всего объема трехмерной реакционной зоны на тест-полоске с помощью портативного прибора, а не только с поверхности мембраны, как это происходит для оптических меток. Это обстоятельство, среди прочих упомянутых факторов, также обеспечивает простоту измерения ультранизких концентраций низкомолекулярных веществ в средах сложного состава, что отменяет необходимость в сложной пробоподготовке образцов и специально подготовленных специалистах для проведения уникальных по чувствительности анализов».
По словам первого автора статьи Сергея Знойко: «Разработанный анализ представляет собой экспресс-тест, обладающий характеристиками, значительно превосходящими характеристики существующих лабораторных диагностических систем. Дальнейшее расширение спектра биологических молекул, детектируемых подобным образом, позволит реализовать многопараметрический анализ сложных сред при значительном сокращении его стоимости».
Аспирантка МФТИ Наталия Гутенева, соавтор статьи, утверждает: «Этот подход простой, доступный, адаптируемый для детекции других малых молекул, и мы надеемся, что он сможет активно применяться для поиска новых маркеров заболеваний, в медицинской диагностике, экологическом мониторинге, контроле пищевой промышленности, биобезопасности и прочих жизненно важных отраслях».
Работа была поддержана Российским научным фондом.
