Посеребренные золотые наностары обнаруживают ранние раковые биомаркеры
Крупным планом вид горстки наностар, используемых для создания нового типа диагностики рака. Кредит: Университет Дьюка

Инженеры-биомедики из Университета Дьюка разработали метод одновременного обнаружения присутствия множества специфических микроРНК в РНК, выделенной из образцов ткани, без необходимости маркировки или амплификации мишени. Этот метод может быть использован для выявления ранних биомаркеров рака и других заболеваний без необходимости в сложных, трудоемких, дорогостоящих процессах и специальном лабораторном оборудовании, требуемом современными технологиями.

Результаты появились в сети 4 мая в журнале Analyst.

«В моей лаборатории основное внимание уделялось раннему выявлению заболеваний у людей еще до того, как они узнали, что они больны», — сказал Туан Во-Динь, директор Института фотоники Фитцпатрика и Р. Юджина, Сьюзи Э. Гудсон Заслуженный профессор биомедицинской инженерии в Duke. «И чтобы сделать это, вы должны быть в состоянии пойти вверх по течению, на уровне генома, чтобы посмотреть на биомаркеры, такие как микроРНК».

МикроРНК — это короткие молекулы РНК, которые связываются с РНК-мессенджером и мешают им передавать свои инструкции органам, производящим белок. Это может эффективно заставить замолчать определенные участки ДНК или регулировать экспрессию генов, тем самым изменяя поведение определенных биологических функций. У людей обнаружено более 2000 микроРНК, которые влияют на развитие, дифференцировку, рост и обмен веществ.

Как исследователи обнаружили и узнали больше об этих крошечных генетических пакетах, многие микроРНК были связаны с неправильной регуляцией биологических функций, что приводило к заболеваниям от опухолей головного мозга до болезни Альцгеймера. Эти открытия привели к увеличению интереса к использованию микроРНК в качестве биомаркеров заболеваний и терапевтических мишеней. Из-за очень небольшого количества микроРНК, присутствующих в образцах организма, традиционные методы их изучения требуют процессов генетической амплификации, таких как количественная обратная транскрипция ПЦР (qRT-PCR) и секвенирование РНК.

Хотя эти технологии превосходно работают в хорошо оборудованных лабораториях и научных исследованиях, которые могут занимать месяцы или годы, они не так хорошо подходят для быстрых результатов диагностики в клинике или на местах. Чтобы попытаться восполнить этот пробел в применимости, Во-Динь и его коллеги обращаются к посеребренным золотым наностазам.

«У золотых наностар есть несколько шипов, которые могут выступать в качестве осветительных стержней для усиления электромагнитных волн, что является уникальной особенностью формы частицы», — сказал Во-Динь, который также работает на факультете химии Дьюка. «Наши крошечные наносенсоры, называемые» обратными молекулярными сторожами «, используют эту способность для создания четких сигналов о наличии множества микроРНК».


Посеребренные золотые нанозвезды обнаруживают ранние биомаркеры рака
В новой диагностической схеме молекула метки (оранжевая сфера) находится на расстоянии от наностара с помощью спейсера РНК (синего цвета). Когда присутствует соответствующая последовательность РНК, она удаляет спейсер, вызывая скручивание троса ДНК (оранжевого цвета), приближая молекулу метки к наностару. На графике справа показан всплеск сигнала, вызванный усиленным излучением света. Предоставлено: Туан Во-Динь, Университет Дьюка.

Несмотря на то, что название является полным, основная идея дизайна наносенсора заключается в том, чтобы заставить молекулу метки двигаться очень близко к шипам звезды, когда определенная полоса целевой РНК распознается и захватывается. Когда лазер срабатывает на сработавший датчик, эффект молниеотвода кончиков наностар заставляет молекулу метки сиять очень ярко, сигнализируя о захвате целевой РНК.

Исследователи установили этот триггер, привязав молекулу метки к одной из точек наностара с натяжкой ДНК. Хотя он построен для того, чтобы свернуться в петле, ДНК удерживается открытой с помощью РНК-спейсера, который приспособлен для связывания с целевой микроРНК, для которой проводится тестирование. Когда эта микроРНК появляется, она прилипает и удаляет спейсер, позволяя ДНК скручиваться в себя в петле и приводить молекулу метки в тесный контакт с наностаром.

При лазерном возбуждении эта метка излучает свет, называемый рамановским сигналом, который обычно очень слабый. Но форма наностар — и эффект сочетания отдельных реакций, вызванных золотыми наностарами и серебряным покрытием, — усиливает рамановские сигналы в несколько миллионов раз, облегчая их обнаружение.

«Рамановские сигналы молекул метки демонстрируют резкие пики с очень специфическими цветами, такими как спектральные отпечатки пальцев, которые делают их легко отличимыми друг от друга при обнаружении», — сказал Во-Динь. «Таким образом, мы можем на самом деле создать разные датчики для разных микроРНК на наностарах, каждый из которых с молекулами-метками, имеющими свои специфические спектральные отпечатки. И поскольку сигнал очень сильный, мы можем обнаруживать каждый из этих отпечатков пальцев независимо друг от друга».

В этом клиническом исследовании Во-Динь и его команда сотрудничали с Кэтрин Гарман, доцентом медицины, и коллегами из Института рака Дьюка, чтобы использовать новую платформу наносенсора, чтобы продемонстрировать, что они могут обнаруживать miR-21, специфическую микроРНК. связаны с очень ранними стадиями рака пищевода, а также с другими более сложными современными методами. В этом случае использование одного miR-21 достаточно, чтобы отличить образцы здоровой ткани от образцов раковых. Однако для других заболеваний может потребоваться обнаружение нескольких других микроРНК для получения надежного диагноза, и именно поэтому исследователи так взволнованы общей применимостью их обратных молекулярных дозорных нанобиосенсоров.

«Обычно трех или четырех генетических биомаркеров может быть достаточно для постановки правильного диагноза, и эти типы биомаркеров могут безошибочно идентифицировать каждую болезнь», — сказал Во-Динь. «Вот почему мы воодушевлены тем, насколько сильный сигнал создают наши наностары без необходимости в длительном амплификации мишени. Наш метод может обеспечить диагностическую альтернативу гистопатологии и ПЦР, упрощая тем самым процесс тестирования для диагностики рака»./р>

Более трех лет Во-Динь работал со своими коллегами и Управлением по лицензированию и венчанию Герцога, чтобы запатентовать свои биосенсоры на основе наностар. Получив недавно этот патент, исследователи рады начать тестирование пределов своих технологических возможностей и изучение возможностей передачи технологий в частном секторе.

«После этих обнадеживающих результатов мы теперь очень рады применить эту технологию для выявления рака толстой кишки непосредственно из образцов крови в новом проекте, финансируемом NIH», — сказал Во-Динь. «Очень сложно обнаружить ранние биомаркеры рака непосредственно в крови еще до того, как опухоль сформируется, но мы возлагаем большие надежды».




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *