Molekuli u našim telima su u stalnoj komunikaciji. Neki od ovih molekula daju biohemijski otisak prsta koji bi mogao da ukaže na to kako rana zaceljuje, da li lečenje raka deluje ili ne ili da je virus upao u telo. Ako bismo mogli da osetimo ove signale u realnom vremenu sa visokom osetljivošću, onda bismo mogli brže da prepoznamo zdravstvene probleme, pa čak i da pratimo bolest kako napreduje.
Sada su istraživači sa Univerziteta Northvestern razvili novu tehnologiju koja olakšava prisluškivanje unutrašnjih razgovora našeg tela.
Dok su hemijski signali tela neverovatno slabi – što ih čini teškim za otkrivanje i analizu – istraživači su razvili novu metodu koja pojačava signale za više od 1.000 puta. Tranzistori, sastavni blok elektronike, mogu pojačati slabe signale da bi obezbedili pojačani izlaz. Novi pristup olakšava otkrivanje signala bez složene i glomazne elektronike.
Omogućavajući pojačavanje slabih biohemijskih signala, novi pristup približava savremenu medicinu korak bliže dijagnostici na licu mesta i praćenju bolesti u realnom vremenu.
Istraživanje je objavljeno u subotu u časopisu Nature Communications.
„Ako bismo mogli pouzdano da merimo biohemijske signale u telu, mogli bismo da ugradimo te senzore u nosive tehnologije ili implantate koji imaju mali otisak, manje opterećenje i ne zahtevaju skupu elektroniku“, rekao je Džonatan Rivnej iz Northvesterna, stariji autor studije. „Ali izdvajanje visokokvalitetnih signala je ostalo izazov. Sa ograničenom snagom i prostorom unutar tela, morate pronaći načine da pojačate te signale.“
Rivnai je profesor biomedicinskog inženjerstva na Northvestern’s McCormick School of Engineering. Ksudong Ji, postdoktorski istraživač u Rivnajevoj laboratoriji, prvi je autor rada.
Dok oni saopštavaju vitalne informacije prepune potencijala za usmeravanje dijagnoze i lečenja, mnogi hemijski senzori proizvode slabe signale. U stvari, zdravstveni radnici često ne mogu da dešifruju ove signale bez uklanjanja uzorka (krv, znoja, pljuvačke) i prolaska kroz visokotehnološku laboratorijsku opremu. Obično je ova oprema skupa i možda se čak nalazi van lokacije. A rezultati mogu potrajati strašno dugo da se vrate.
Rivnajev tim, međutim, ima za cilj da oseti i pojača ove skrivene signale bez napuštanja tela.
Drugi istraživači su istraživali elektrohemijske senzore za biosenzivanje koristeći aptamere, koji su pojedinačni lanci DNK dizajnirani da se vežu za specifične mete. Nakon uspešnog vezivanja za metu od interesa, aptameri se ponašaju kao elektronski prekidač, savijajući se u novu strukturu koja pokreće elektrohemijski signal. Ali samo sa aptamerima, signali su često slabi i veoma podložni šumu i izobličenjima ako se ne testiraju u idealnim i dobro kontrolisanim uslovima.
Da bi zaobišao ovaj problem, Rivnajev tim je opremio komponentu za pojačavanje na tradicionalni senzor baziran na elektrodama i razvio senzor baziran na elektrohemijskom tranzistoru sa novom arhitekturom koja može da oseti i pojača slab biohemijski signal. U ovom novom uređaju, elektroda se koristi za detekciju signala, ali je obližnji tranzistor posvećen pojačavanju signala. Istraživači su takođe uključili ugrađenu, tankoslojnu referentnu elektrodu kako bi pojačani signali bili stabilniji i pouzdaniji.
„Mi kombinujemo snagu tranzistora za lokalno pojačanje sa referencama koje dobijate od dobro uspostavljenih elektrohemijskih metoda“, rekao je Ji. „To je najbolje od oba sveta jer smo u mogućnosti da stabilno izmerimo vezivanje aptamera i pojačamo ga na licu mesta.
Da bi potvrdio novu tehnologiju, Rivnajev tim se okrenuo uobičajenom citokinu, vrsti signalnog proteina, koji reguliše imuni odgovor i koji je uključen u popravku i regeneraciju tkiva. Merenjem koncentracije određenih citokina u blizini rane, istraživači mogu proceniti koliko brzo rana zaceljuje, da li postoji nova infekcija ili da li su potrebne druge medicinske intervencije.
U nizu eksperimenata, Rivnai i njegov tim su bili u mogućnosti da pojačaju signal citokina za tri do četiri reda veličine u poređenju sa tradicionalnim metodama sensinga aptamera zasnovanim na elektrodama. Iako se tehnologija dobro pokazala u eksperimentima za detekciju signalizacije citokina, Rivnai kaže da bi trebalo da bude u stanju da pojača signale bilo kog molekula ili hemikalije, uključujući antitela, hormone ili lekove, gde šema detekcije koristi elektrohemijske reportere.
„Ovaj pristup je široko primenljiv i nema specifičan slučaj upotrebe“, rekao je Rivnai. „Velika vizija je da implementiramo naš koncept u implantabilne biosenzore ili nosive uređaje koji mogu da osete problem, a zatim da odgovore na njega.
Studija je naslovljena „Organski elektrohemijski tranzistori kao pojačalo signala na licu mesta za sensing zasnovano na elektrohemijskom aptameru“.
