Wczesna diagnostyka nowotworów wciąż stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Problemem nie jest już brak biomarkerów, lecz ich ekstremalnie niskie stężenie na początkowych etapach choroby. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Shenzhen opracował nowatorski, ultrasensytywny czujnik oparty na świetle, który może wykrywać śladowe ilości biomarkerów nowotworowych w próbce krwi – bez konieczności czasochłonnej amplifikacji. Technologia ta może w przyszłości umożliwić wykrywanie raka płuc, zanim zmiany staną się widoczne w badaniach obrazowych.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa czujnik oparty na generacji drugiej harmonicznej (SHG) i dlaczego pozwala wykrywać śladowe ilości biomarkerów raka we krwi.
- W jaki sposób połączenie DNA, kropek kwantowych i systemu CRISPR-Cas12a zwiększa czułość detekcji, eliminując potrzebę amplifikacji materiału genetycznego.
- Dlaczego wykrywanie mikroRNA miR-21 ma znaczenie w diagnostyce raka płuc i jak czujnik radzi sobie w próbkach surowicy pacjentów.
- Jak ta technologia może wpłynąć na wczesną diagnostykę, monitorowanie leczenia i rozwój medycyny spersonalizowanej.
Dlaczego wczesne wykrywanie biomarkerów jest tak trudne?
Biomarkery – takie jak białka, fragmenty DNA czy mikroRNA – stanowią cenne wskaźniki obecności, progresji lub ryzyka rozwoju nowotworu. Jednak na bardzo wczesnym etapie choroby ich stężenie w krwiobiegu jest niezwykle niskie, często poniżej granicy wykrywalności standardowych metod laboratoryjnych.
Dotychczasowe podejścia opierały się głównie na amplifikacji materiału genetycznego, co zwiększa czułość, lecz jednocześnie komplikuje proces, wydłuża czas analizy i podnosi koszty. Naukowcy z Shenzhen postanowili opracować metodę bezpośredniego pomiaru, która pozwala na detekcję biomarkerów bez dodatkowych etapów wzmacniania sygnału.
Jak działa czujnik oparty na świetle?
Zespół kierowany przez Han Zhanga zastosował podejście oparte na nieliniowej optyce, znane jako generacja drugiej harmonicznej (SHG). Jest to proces, w którym padające światło ulega przekształceniu w światło o połowie długości fali, generując bardzo czysty sygnał o minimalnym tle.
Nasz czujnik łączy nanostruktury zbudowane z DNA z kropkami kwantowymi i technologią edycji genów CRISPR, aby wykrywać słabe sygnały biomarkerów za pomocą podejścia opartego na świetle, znanego jako generacja drugiej harmonicznej (SHG) – powiedział Han Zhang, kierownik zespołu badawczego z Uniwersytetu w Shenzhen w Chinach.
Kluczowym elementem systemu jest dwuwymiarowy materiał półprzewodnikowy – disiarczek molibdenu (MoS₂). Na jego powierzchni zachodzi proces SHG. Aby zwiększyć czułość detekcji, badacze wykorzystali:
- tetraedry DNA – samoorganizujące się nanostruktury o piramidalnej budowie,
- kropki kwantowe wzmacniające lokalne pole optyczne,
- system CRISPR-Cas12a do rozpoznawania konkretnych biomarkerów.
DNA jako element konstrukcyjny czujnika
Jednym z najbardziej innowacyjnych aspektów tej technologii jest wykorzystanie DNA nie jako materiału biologicznego, lecz jako precyzyjnego elementu konstrukcyjnego.
Zamiast traktować DNA wyłącznie jako substancję biologiczną, wykorzystujemy je jako programowalne elementy konstrukcyjne, co pozwala nam na składanie komponentów naszego czujnika z precyzją na poziomie nanometrów – powiedział Zhang.
Tetraedry DNA utrzymują kropki kwantowe w ściśle określonej odległości od powierzchni MoS₂. Gdy białko Cas12a rozpozna docelowy biomarker, przecina DNA podtrzymujące kropki kwantowe. Skutkuje to mierzalnym spadkiem sygnału SHG. Dzięki minimalnemu szumowi tła możliwe jest wykrycie nawet pojedynczych cząsteczek biomarkera – na poziomie subatomolarnym.
Wykrywanie raka płuc w próbkach klinicznych
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Optica” naukowcy przetestowali system, wykrywając miR-21 – mikroRNA związane z rakiem płuc. Najpierw potwierdzono skuteczność czujnika w roztworze buforowym, a następnie w surowicy pacjentów.
Czujnik działał wyjątkowo dobrze, pokazując, że integracja optyki, nanomateriałów i biologii może być skuteczną strategią optymalizacji urządzenia – powiedział Zhang. Czujnik był również bardzo precyzyjny – ignorując inne podobne nici RNA i wykrywając tylko cel – raka płuc.
Technologia ta daje nadzieję na wykrycie choroby na etapie, gdy guz nie jest jeszcze widoczny w tomografii komputerowej.
Ta metoda daje nadzieję na wczesną diagnostykę, gdyż umożliwia wykonanie prostych badań krwi w kierunku raka płuc, zanim guz stanie się widoczny na tomografii komputerowej – podkreślił Zhang.
Potencjał monitorowania leczenia i medycyny spersonalizowanej
Nowy czujnik może znaleźć zastosowanie nie tylko w diagnostyce wczesnej, lecz także w monitorowaniu terapii.
Mogłoby to również przyczynić się do rozwoju spersonalizowanych opcji leczenia, umożliwiając lekarzom codzienne lub cotygodniowe monitorowanie poziomu biomarkerów u pacjenta w celu oceny skuteczności leku, zamiast czekać miesiącami na wyniki badań obrazowych.
Tego typu podejście mogłoby znacząco skrócić czas podejmowania decyzji terapeutycznych i zwiększyć skuteczność leczenia. Co więcej, technika została zaprojektowana jako programowalna. Oznacza to możliwość dostosowania jej do wykrywania innych biomarkerów – w tym związanych z chorobą Alzheimera, infekcjami wirusowymi, bakteryjnymi czy toksynami środowiskowymi.
Kolejny krok: miniaturyzacja i urządzenie przenośne
Naukowcy planują obecnie miniaturyzację systemu optycznego. Celem jest stworzenie przenośnego urządzenia, które mogłoby być stosowane przy łóżku pacjenta, w małych klinikach, a nawet w regionach o ograniczonym dostępie do zaawansowanej infrastruktury laboratoryjnej.
Połączenie wysokiej czułości, braku potrzeby amplifikacji oraz minimalnego szumu tła sprawia, że technologia ta może stanowić przełom w rozwoju tzw. płynnych biopsji.
Główne wnioski
- Nowy czujnik wykorzystujący generację drugiej harmonicznej (SHG) umożliwia wykrywanie biomarkerów na poziomie subatomolarnym, nawet gdy w próbce znajduje się zaledwie kilka cząsteczek.
- System łączy nanostruktury DNA, kropki kwantowe, materiał MoS₂ oraz CRISPR-Cas12a, co pozwala na bezpośredni pomiar bez etapu amplifikacji.
- Technologia skutecznie wykryła mikroRNA miR-21 w surowicy pacjentów z rakiem płuc, wykazując wysoką selektywność i niski poziom szumu tła.
- Planowana miniaturyzacja układu może umożliwić stworzenie przenośnego urządzenia diagnostycznego, wspierającego wczesne wykrywanie raka i bieżące monitorowanie terapii.
Źródło:
- https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-13-2-319
