Взгляд внутрь

Погружение во внутреннюю красоту

Понимание того, что происходит внутри организма человека, является основой медицины. С течением веков ученые искали лучшие способы обнаружения проблем, состояний и заболеваний, начиная от повышенного кровяного давления до рака.

Разнообразие датчиков – от термометров и манжет для измерения кровяного давления до пульсоксиметров – облегчило контроль за жизненными показателями и обнаружение потенциальных проблем. Теперь исследователи занимаются детекцией на молекулярном уровне, используя нанотехнологии и синтетическую биологию: они разрабатывают биосенсоры, которые идут дальше, чем медицина до сих пор не заходила.

“Становится возможным разработать датчики, которые предоставляют конкретную информацию. Биомедицинская диагностика применяется во множестве областей. Исследователи находят способы обнаружения биомаркеров даже на уровне одной клетки”, – говорит Гейб Квонг, старший преподаватель в отделении биомедицинской инженерии в Грузинском технологическом институте (Georgia Tech).

Эти новые системы способны выявлять инфекции, обнаруживать раковые опухоли и идентифицировать присутствие других хронических заболеваний, что должно привести к более ранним вмешательствам и лучшему лечению, спасающему жизни. “Живые биосенсоры – многообещающий способ улучшить наши возможности в диагностике”, – говорит Роберт Купер, научный сотрудник Биоцепейского института в Университете Калифорнии, Сан-Диего (UCSD).

• Студент изобретает доступного пожароборца
• ChatGPT теперь может отвечать говорящими словами
• Raspberry Pi отслеживает невидимые дроны, используя звук

Новое понимание

Использование биомаркеров для диагностики и лечения не является новым. На основном уровне, анализ крови и мочи предоставляют информацию о происходящих событиях внутри организма человека. Однако, несмотря на прогресс, достигнутый медициной за последнее столетие, по-прежнему есть долгий путь к диагностике и лечению многих состояний.

Часть проблемы заключается в том, что обнаружение определенных молекул или клеток может быть чрезвычайно сложным. Например, обычный взятие 10 миллилитров крови может содержать всего несколько молекул рака, которые могут избежать обнаружения во время теста. “Трудно найти сигнал среди шума, особенно когда рак заложен в сложный орган, такой как печень или легкие”, – говорит Квонг.

Это влияет на раннюю диагностику, а также контроль за лечением. Например, ингибиторы проверочного пункта иммунитета (ICB) теперь используются для лечения различных видов рака. Хотя они намного более эффективны для лечения злокачественных опухолей, чем обычные методы, только около 25% пациентов получают пользу от лекарств, которые действуют, блокируя белки, препятствующие атаке иммунной системы на раковые клетки. Что еще хуже: многие из достижений являются временными.

Поэтому исследователи сосредотачиваются на разработке нового класса биосенсоров и связанных методов лечения, которые функционируют на более сложном уровне, используя пробиотики, синтетическую биологию и специфические инструменты для редактирования генов, такие как CRISPR, для разработки органических и неорганических биомаркеров. “Можно инженерно создавать агенты, например, бактерии, чтобы выполнять определенные задачи”, – объясняет Купер.

“Биосенсоры могут обнаруживать тонкие химические реакции и выдавать показания, будь то уровень глюкозы в крови или злокачественный опухоль”, – говорит Квонг. “Организм выделяет клетки в крови и моче, которые могут указывать на наличие раковых клеток или других состояний. Цель – обнаруживать эти биомаркеры с помощью различных инструментов”.

Отчаянные меры

Квонг является одним из лидеров данной революции. Вместе с командой исследователей из Грузинского технологического института (Georgia Tech) он разработал синтетические биосенсоры, которые позволяют определить, работает ли терапия с использованием ICB через неинвазивный анализ мочи. Эта техника избегает необходимости в болезненной биопсии или вычислительной томографии (CT), результаты которых могут быть неоднозначными или вводящими в заблуждение. Вместо этого, она основывается на обнаружении высокого содержания белков, которые выделяют Т-клетки после применения препарата ICB.

Нанотехнология использует биосенсоры, которые присоединяются к препарату ИБК. После инъекции они проходят через организм к месту опухоли, где протеазы как из Т-клеток, так и из опухолевых клеток запускают сигнальное вещество, которое выделяется в мочу. Полученное значение, в некоторых случаях помогаемое искусственным интеллектом и машинным обучением, способным найти шаблоны, ускользающие от людей, определяет, реагирует ли пациент на лечение или нет.

“Синтетическая биология позволяет нам настраивать датчики для очень конкретных потребностей”, – говорит Квонг. К тому же, можно манипулировать размером, формой, цветом и другими характеристиками материалов, чтобы достичь разных результатов или измерять разные вещи. “При уменьшении разных материалов, скажем, до 10 или 100 нанометров, мы видим разные возникающие свойства”. Это может привести к изменениям цвета или другим характеристикам, которые можно идентифицировать анализом.

Ученые из UCSD и Австралии также ставят перед собой высокие цели в области биосенсорики. Они используют технику обмена генами, которую они назвали CATCH, чтобы обнаружить наличие рака толстой кишки у живых организмов.

“В качестве выходного сигнала прототипные биосенсоры активируют резистентность к антибиотикам, что довольно легко обнаружить”, – говорит Купер. “Вы распространяете образец на Петриевой чашке с антибиотиком и считаете, сколько клеток вырастает”. Однако до клинического использования они планируют заменить резистентность к антибиотикам безопасным сигналом вывода, таким как флуоресцентная молекула, обнаруживаемая в моче.

До сих пор группа успешно протестировала технику на мышах и надеется распространить ее на людей в течение нескольких лет. “Это также открывает возможность создания более целенаправленных методов лечения”, – говорит Купер.

Тем временем, группа университета Корнелл разработала гибридные наночастицы из кремния, известные как ‘C-точки’, которые обеспечивают и оптическое исследование похвального излучения (ПЭТ) и оптическую контрастирование в рамках одной платформы с использованием флуоресцентных материалов. Группа университета Колумбии создала пробиотические бактерии, которые колонизируют опухоль, что делает их более легко обнаружимыми. Команда проектирует генетические цепи, которые управляют поведением живых клеток, чтобы они чувствовали и реагировали на свою среду в реальном времени.

Успех в обнаружении

Будущее биосенсорики выглядит светлым, хотя Квонг, Купер и другие говорят, что понадобится несколько лет, чтобы технология стала практичной для людей. “Перед тем, как эти технологии могут быть испытаны на людях, необходимо решить ряд важных проблем. Они должны работать и быть безопасными вне контролируемой среды “, – говорит Купер.

В конечном счете, говорит Квонг, новейшие наносенсоры и биосенсоры могут быть использованы для обнаружения и лечения широкого спектра состояний и заболеваний. “Технология может преобразить раннее выявление и профилактическую медицину”, – говорит он. Кроме того, биосенсорика может революционизировать области вне медицины, включая отслеживание окружающей среды, сельское хозяйство и безопасность пищи.

“Мы приближаемся к эпохе, в которой мы сможем настраивать клетки в качестве датчиков, которые предоставляют раннюю информацию о различных состояниях и заболеваниях”, – заключает Квонг. “Результатом будет более осознанное принятие решений и более здоровая жизнь.”

Сэмюэл Грингард – автор и журналист из Уэст Линн, Орегон, США.