В России созданы сверхчувствительные наноматериалы для ДНК-диагностики и "умных" лекарств

В России разработали материал, который позволит доставлять лекарства точно к поражённым клеткам и выполнять ДНК-диагностику в домашних условиях.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале ACS Nano группой под руководством Максима Никитина из Московского физико-технического института (МФТИ).

Доставка медикаментов точно к поражённым клеткам – заветная мечта врачей и пациентов. В идеале лекарство должно попадать только в "больные" клетки, не нанося при этом никакого вреда здоровым. При этом давно известно, что отличить поражённую болезнью клетку от здоровой возможно по различным веществам (маркерам) на её поверхности или вокруг неё.

Существующие лекарства обычно распознают больные клетки лишь по одному такому маркеру. Однако почти всегда то же сигнальное вещество есть и на здоровых клетках, только в меньшем количестве.

"Общепринятые способы доставки лекарств напоминают письмо с указанием города и улицы, но без номера дома и квартиры, – объясняет Никитин. – Для эффективной доставки нужно уметь анализировать больше параметров".

В 2014 году в журнале Nature Nanotechnology Максимом Никитиным и его соавторами были опубликованы результаты работы, в которой они впервые наделили нано- и микрочастицы возможностью производить любые логические вычисления с помощью биохимических реакций. Такие автономные нанокомпьютеры способны идентифицировать мишень намного лучше за счёт анализа многих её параметров. Эстафетную палочку подхватило множество исследовательских групп во всём мире.

Однако главным слабым местом таких "умных" материалов оставалась низкая чувствительность к маркерам заболеваний, что не позволяло перейти к их реальному применению.

В нынешней работе российские учёные совершили прорыв. Они разработали "умный" материал, который на несколько порядков более чувствителен к ДНК-сигналам, чем ближайшие конкуренты. Более того, он чувствительнее, чем абсолютное большинство существующих экспресс-ДНК-тестов.

Добиться этого выдающегося результата исследователям помог обнаруженный ими феномен. Речь о необычном поведении молекул ДНК на поверхности наночастиц.

Поясним. Авторы прикрепляли нить ДНК одним концом к поверхности наночастицы. На другом конце находился рецептор, распознающий маркеры на поверхности клеток. Важно, что эта ДНК не имела так называемых шпилек. Шпилька образуется, когда два участка одной и той же цепочки ДНК слипаются друг с другом за счёт комплементарности.

Однако в ходе испытаний новой разработки, к удивлению исследователей, рецептор никак не связывался с мишенью. Тогда у учёных возникла гипотеза, что нить ДНК прилипает к поверхности наночастицы и самопроизвольно сворачивается в клубок. Из-за этого рецептор на конце нити не контактирует с мишенью.

Гипотеза подтвердилась, когда к такой частице добавили ещё одну нить ДНК, комплементарную к первой. Первая нить сразу же развернулась, образовав жёсткую двойную спираль со второй. Рецептор вернулся в нужное положение и сразу же распознал мишень.

По поведению такая конструкция напоминает известные в науке молекулярные маяки. Она состоит из нити ДНК, образующей шпильку (то есть, напомним, ДНК слипается сама с собой). При добавлении комплементарной ДНК шпилька разрушается, и нить ДНК разворачивается. "Умный" материал российских учёных работает так же, только ДНК сворачивается не из-за шпильки, а из-за прилипания к поверхности наночастицы.

В дальнейшем такая система работает как детектор определённых (комплементарных) последовательностей ДНК в окружающей среде. В обычном состоянии нить ДНК покоится на поверхности наночастицы. Но стоит ей вступить в контакт с комплементарным участком ДНК, как она разворачивается.

Важно, что сила, удерживающая ДНК в свёрнутом состоянии, не очень велика. Поэтому даже небольшой комплементарный участок ДНК из внешней среды разворачивает её. В экспериментах такая система детектировала ДНК в концентрации вплоть до 30 фемтомолей в литре.

"Такая чувствительность была продемонстрирована в крайне простом в использовании иммунохроматографическом анализе, известном в формате теста на беременность. Подобные тесты могут быть проведены без использования чистых лабораторных помещений и сложного оборудования, как правило, необходимых для существующих технологий ДНК-анализа. Эта технология подходит для быстрого скрининга инфекционных заболеваний, домашнего анализа пищевых продуктов и тому подобного", – поясняет соавтор работы Елизавета Мочалова из МФТИ.

Кроме того, система успешно распознавала раковые клетки по специфическим малым цепочкам ДНК в их микроокружении.

Метод работает не только с ДНК, но и с РНК. Более того, новинка не имеет себе равных по способности распознавать короткие фрагменты нуклеиновых кислот (6–9 оснований).

Фрагменты ДНК и РНК можно использовать как маркеры клеток, поражённых болезнью. Кроме того, разработка позволит улучшить технологию анализа ДНК и РНК в медицинских и научных целях.

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о ДНК-роботе для доставки лекарств и поезде, передвигающемся по ДНК-рельсам.