4.4. Нанобиодатчики

Нанобиодатчики представляют собой наноразмерные датчики для качественного и количественного определения химических веществ и определенных типов клеток в биологическом материале. Нанобиодатчики обладают исключительно высокой чувствительностью по сравнению с другими типами датчиков (Jain, 2003).

Таблица 2. Основные типы нанодатчиков (по Jain, 2007)

Выделяют несколько типов нанобиодатчиков (табл. 2). Одним из вариантов являются нанопроволоки. Поскольку поверхность нанопроволоки легко поддается химической модификации, в настоящее время освоены методы нанесения на нее распознающих элементов для различных молекул. Присоединение молекулы-мишени к поверхности нанопроволоки вызывает немедленное изменение ее электропроводности, которое может учитываться количественными методами. Легированная бором силиконовая нанопроволока использовалась для создания высокочувствительных количественных датчиков биологического назначения (Cui et al., 2001). Модифицированная биотином силиконовая нанопроволока применялась для детекции стрептавидина в пикомолярных концентрациях. Малый размер, высокая чувствительность и возможность детекции в режиме реального времени делают нанопроволоки перспективным материалом для чиповой диагностики и прижизенной диагностики.

Другой тип нанодатчиков основан на технологии переключения ионных каналов. Датчик представляет собой синтетическую самосборную мембрану, функционирующую по принципу биологического прерывателя. Электрический импульс от датчика генерируется при контакте с искомой биологической молекулой (Cornell, 2002).

Диагностическая система «Biodetect» (Integrated NanoTechnologies, США) функционирует за счет электронного распознавания связывания искомой молекулы ДНК с чувствительным элементом микрочипа. Молекула ДНК при этом формирует мостик между двумя струнами нанопроволоки. Образование ДНК-мостиков, наличие которых контролируется с помощью методов флуоресцентной визуализации, легко распознается путем измерения сопротивления или других электрических свойств нанодатчика.

Некоторые нанодатчики основаны на использовании вирусных частиц. Так, в частности, вирус герпеса и аденовирус использовались для запуска самосборки магнитных нанозерен, обеспечивающих детекцию других вирусов в биологических средах (Perez et al., 2003). Нанозерна состояли из магнитного ядра, представленного оксидом железа, и декстрановой оболочки. Далее к поверхности нанозерен присоединялись антитела против вируса герпеса. Облучение диагностической системы магнитным полем обеспечивало чрезвычайно чувствительную детекцию вирусных частиц, например, 5 вирусных частиц в объеме сыворотки 10 мл. Описанная диагностическая система имеет гораздо более высокую чувствительность, чем традиционный иммуноферментный анализ. С другой стороны, она характеризуется большей скоростью выполнения, меньшей стоимостью и встречаемостью артефактов, чем полимеразная цепная реакция.

Датчики, инкапсулированные в биологически локализованный материал (ДИБЛМ), состоят из сенсорных молекул, погруженных в химически инертный матрикс путем микроэмульсионной полимеризации, что обеспечивает образование сферических нанодатчиков диаметром от 20 до 200 нм (Sumner et al., 2002). Эти датчики обеспечивают внутри- и межклеточную детекцию различных ионов и молекул в режиме реального времени, причем формирующийся при этом сигнал не подвергается интерференции со стороны белковых молекул. ДИБЛМ также демонстрируют хорошую устойчивость к выщелачиванию и фотовыцветанию. В плазме крови человека ДИБЛМ обеспечивают высокочувствительную детекцию напряжения кислорода, на которую не влияют эффекты светорассеяния и аутофлуоресценции (Cao et al., 2004).

Нанокронштейны предназначены для трансформации молекулярного взаимодействия в механическое смещение наноплатформы (около 10 нм), которое может быть измерено напрямую за счет степени отклонения светового пучка от поверхности кронштейна. Использование нанокронштейнов в будущем может стать альтернативой полимеразной цепной реакции и дополнить существующие методы ДНК- и белковых микрочипов, поскольку в данном случае отпадает необходимость метить или копировать молекулы-мишени. Преимущества нанокронштейнов состоят в том, что они дают возможность быстрого распознавания немеченых специфических последовательностей ДНК для идентификации генных полиморфизмов, онкогенов и мутаций. Нанокронштейны могут быть полезны для разработки новых типов нанодатчиков для детекции вирусов, бактерий и других патогенных микроорганизмов (Gupta et al., 2006).

<<< Назад | Читать дальше >>>

Нанотехнологии в биологии и медицине: современное состояние вопроса

Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография под ред. чл.-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. 2009 г.