Пластиковий транзистор підсилює біохімічний сигнал

Молекули в нашому тілі постійно спілкуються. Деякі з цих молекул забезпечують біохімічний відбиток пальця, який може вказати, як загоюється рана, чи діє лікування раку чи ні, чи вірус вторгся в організм. Якби ми могли відчувати ці сигнали в режимі реального часу з високою чутливістю, тоді ми могли б швидше розпізнавати проблеми зі здоров’ям і навіть стежити за прогресуванням хвороби.

Тепер дослідники Північно-західного університету розробили нову технологію, яка полегшує підслуховування внутрішніх розмов нашого тіла.

Хоча хімічні сигнали організму неймовірно слабкі, що ускладнює їх виявлення та аналіз, дослідники розробили новий метод, який посилює сигнали більш ніж у 1000 разів. Транзистори, будівельний блок електроніки, можуть посилювати слабкі сигнали, щоб забезпечити посилений вихід. Новий підхід полегшує виявлення сигналів без складної та громіздкої електроніки.

Забезпечуючи посилення слабких біохімічних сигналів, новий підхід робить сучасну медицину на крок ближче до діагностики на місці та моніторингу захворювань у реальному часі.

Дослідження було опубліковано в суботу в журналі Nature Communications.

«Якби ми могли надійно вимірювати біохімічні сигнали в організмі, ми могли б включити ці датчики в носимі технології або імплантати, які мають невелику площу, менше навантаження і не вимагають дорогої електроніки», — сказав Джонатан Рівней з Northwestern, старший автор дослідження. «Але отримання високоякісних сигналів залишається проблемою. З обмеженою потужністю та простором всередині тіла вам потрібно знайти способи посилити ці сигнали».

Рівнай є професором біомедичної інженерії в Північно-західній школі інженерії МакКормік. Xudong Ji, постдокторський дослідник у лабораторії Rivnay, є першим автором статті.

Хоча вони передають життєво важливу інформацію, наповнену потенціалом для діагностики та лікування, багато хімічних датчиків видають слабкі сигнали. Насправді медичні працівники часто не можуть розшифрувати ці сигнали, не беручи зразок (кров, піт, слина) і не пропускаючи його через високотехнологічне лабораторне обладнання. Зазвичай це обладнання дороге і, можливо, навіть розташоване за межами підприємства. І для повернення результатів може знадобитися нестерпно багато часу. Однак команда Рівнай прагне відчути та посилити ці приховані сигнали, не виходячи з тіла.

Інші дослідники досліджували електрохімічні сенсори для біосенсора за допомогою аптамерів, які являють собою окремі ланцюги ДНК, створені для зв’язування з конкретними мішенями. Після успішного зв’язування з цікавою мішенню аптамери діють як електронний перемикач, складаючись у нову структуру, яка запускає електрохімічний сигнал. Але тільки з аптамерами сигнали часто слабкі та дуже сприйнятливі до шумів і спотворень, якщо не перевірити в ідеальних і добре контрольованих умовах.

Щоб уникнути цієї проблеми, команда Rivnay оснастила підсилювальний компонент на традиційному датчику на основі електродів і розробила датчик на основі електрохімічного транзистора з новою архітектурою, який може відчувати та посилювати слабкий біохімічний сигнал. У цьому новому пристрої електрод використовується для сприйняття сигналу, але сусідній транзистор призначений для посилення сигналу. Дослідники також включили вбудований тонкоплівковий електрод порівняння, щоб зробити посилені сигнали більш стабільними та надійними.

«Ми поєднуємо потужність транзистора для локального підсилення з опорним сигналом, який ви отримуєте за допомогою добре відомих електрохімічних методів», — сказав Джі. «Це найкраще з обох світів, тому що ми можемо стабільно вимірювати зв’язування аптамера та посилювати його на місці».

Щоб перевірити нову технологію, команда Рівнай звернулася до звичайного цитокіну, типу сигнального білка, який регулює імунну відповідь і бере участь у відновленні та регенерації тканин. Вимірюючи концентрацію певних цитокінів поблизу рани, дослідники можуть оцінити, наскільки швидко рана загоюється, чи є нова інфекція, чи потрібні інші медичні втручання.

У серії експериментів Рівнай та його команда змогли підсилити сигнал цитокінів на три-чотири порядки величини порівняно з традиційними методами визначення аптамерів на основі електродів. Не зважаючи на те, що технологія показала хороші результати в експериментах з визначення сигналів цитокінів, Рівнай каже, що вона повинна мати можливість підсилювати сигнали від будь-якої молекули або хімічної речовини, включаючи антитіла, гормони або ліки, де схема виявлення використовує електрохімічні репортери.

«Цей підхід широко застосовний і не має конкретного випадку використання», — сказав Рівнай. «Велике бачення полягає в тому, щоб реалізувати нашу концепцію в імплантованих біосенсорах або носимих пристроях, які можуть як відчути проблему, так і реагувати на неї».