9.2. Биосенсорная нанодиагностика

Биочипы. Применение нанотехнологий для целей диагностики позволяет во много раз повысить скорость обнаружения и анализа сверхмалых количеств различных веществ. Для этих целей используются так называемые биологические чипы – искусственные устройства, обычно изготавливаемые из кремния, содержащие большое количество крошечных резервуаров, в которых упорядочено размещены рецепторы к нужным веществам, например антитела. Молекулы вещества, захваченные рецептором, выявляются по возникающей флюоресценции или по изменению электрических свойств ячейки. На одном чипе может быть расположена целая лаборатория для анализа многих тысяч веществ. Использование биочипов дает возможность в тысячи раз увеличить производительность большинства диагностических методов. (Пример. В институте молекулярной биологии РАН разработана система для экспресс-выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещаются около сотни флуоресцентных датчиков.)

Свечения отдельных ячеек микрочипа, регистрируется специальной аппаратурой. Результаты анализа готовы через несколько часов после забора образцов. Использование биочипов эффективно для проведения быстрого и точного обнаружения возбудителей туберкулеза, натуральной оспы, гепатита, ВИЧ и др. Широкое применение биочипы получили для анализа ДНК структур. Принцип действия биочипа в этом случае основан на способности комплементарных оснований ДНК образовывать химические связи. В ходе анализа происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них (ДНК-проба) зафиксирована на подложке, а другая одноцепочечная ДНК-мишень, меченная флуоресцентной меткой, вносится в ДНК-чип.

Биочипы могут использоваться также и для контролируемого введения лекарств во внутренние органы. Для адресной доставки лекарств в конкретный орган часто используются имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов на полимерной основе. Однако они не гарантируют абсолютной точности дозируемого ввода препаратов, в них могут происходит сбои или разрушение структур, в результате чего происходит «взрывное» выделение препарата. Кроме того, после имплантации в организм такого устройства врачи уже не могут изменить исходную схему лечения. Этих недостатков лишены биологические чипы. Для этих целей их крошечные резервуары с лекарством покрываются тонкой золотой пленкой и соединяются тончайшими проводами с управляющим устройством на поверхности чипа. При подаче электрического сигнала проволочка расплавляется вместе с фольгой, в результате чего заданное количество препарата выделяется в окружающие ткани организма. Вследствие исключительно малых размеров биочипов они могут легко имплантироваться практически в любой орган: кожу, нервные волокна, головной мозг. Электронное управление чипом осуществляется извне с помощью радиосигналов.

Нанопровода. На основе нанопроводов изготавливаются наносенсоры, которые могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных методик анализа. Американскими учеными разработан сенсор на основе нанопроводов, позволяющий детектировать даже единичный вирус. Вирус связывается со специфическим антителом, нанесенным на поверхность нанопровода, в результате чего происходит значительное изменение его электрической проводимости. Специалистами создан также наносенсор, способный выявлять и различать несколько видов вирусов на основе использования нескольких антител, специфических для каждого из них. Были разработаны наносенсоры, способные различать определенную последовательность ДНК. Такие устройства способны детектировать гены, несущие специфическую мутацию. Весьма перспективными являются наносенсоры, созданные для детектирования онкологических заболеваний. В этом случае они должны детектировать комплексы белков, характерных для определенного вида опухолей.

Наночастицы для диагностики состояния головного мозга. Предложена технология мониторинга клеток головного мозга, позволяющая наблюдать за объектом долгое время. Она основана на использовании наночастиц золота, внедренных в клетки мозга, в качестве флуоресцентных меток. Наночастицы выделяют тепло при облучении их лазером. Фотодиод совместно со вторым лазером используется для слежения за наночастицами при их перемещении. Анализ движения макромолекул мозга поможет в исследовании механизмов работы памяти. Методика имеет преимущества перед использующейся ныне флуоресцентной микроскопией, которая позволяет наблюдать за объектом лишь непродолжительное время.