Ученые, работающие в Национальном Институте Стандартов и Технологии (NIST) и в Национальном Институте Здоровья (NIH), разработали и продемонстрировали новый, меняющий форму датчик, размером около 1/100 диаметра человеческого волоса, который позволяет получить информацию высокой чувствительности от биологических тканей, что было невозможно с учетом современных технологий.

Если, в конечном итоге, удастся добиться его широкого использования, этот проект может оказать существенное влияние на исследования в медицине, химии, биологии и инженерии. Эта технология может быть также использована в клинической диагностике.

кодируемый магнитный сенсор

В настоящее время, большинство попыток обнаружить локальные биохимические изменения, такие, как ненормальное рН и концентрация ионов, — важные показатели для многих заболеваний, — основывалось на использовании различных наносенсоров, которые делали это с помощью света на оптических частотах.

Но чувствительность и разрешающая способность полученных оптических сигналов быстро снижалась с возрастанием глубины размещения тканей организма. Это ограничивало большинство исследований более прозрачными и оптически доступными тканями.

Новый меняющий форму зонд, описанный в журнале Nature, не подвержен этим ограничениям. Он делает возможным обнаружение и измерение локальных условий на молекулярном уровне в глубоких тканях организма, наблюдение за их изменениями в режиме реального времени.

«Наше устройство основано на совершенно других принципах роботы, — говорит Гари Забоу из NIST, который провел исследование с коллегами Стефаном Доддом и Аланом Корецки из NIH.

–Вместо измерений, основанных на оптической чувствительности, меняющий форму сенсор создан для работы в радиочастотном спектре, специально для того, чтобы быть обнаружимым для стандартного ЯМР или МРТ-оборудования. Эти радиочастотные сигналы, например, почти не ослабляются биологическими тканями».

В результате этого они могут давать сильные, отличительные сигналы от органов небольшого размера, размещенных в глубоких тканях организма, или другой локализации, недоступной для исследования с помощью оптических сенсоров.

Геометрически кодированный магнитный датчик

Новый прибор, называемый геометрически кодированным магнитным датчиком (ГКМ), является металлическо-гелевым устройством, размером в 5-10 раз меньше чем эритроцит, одна из самых малых клеток человеческого организма.

Каждый состоит из двух отдельных магнитных дисков размером от 0.5 до 2 микрометров в диаметре и несколько нанометров в толщину. Между этими дисками есть промежуточный слой из гидрогеля — полимерной сетки, которая может адсорбировать разное количество воды в зависимости от своего строения и химического состава,меняя свой объем в достаточно большой степени.

Степень расширения зависит от химических свойств геля и окружающей среды вокруг него. С другой стороны, гидрогель также может уменьшаться в размерах в ответ на изменение локальных условий.

Гидрогель, который исследователи использовали в своих экспериментах, увеличивал объем в нейтральной среде и уменьшал его при более низких значениях рН.

Увеличение или уменьшение объема гидрогеля изменяет расстояние (а, следовательно, и напряжение магнитного поля) между двумя дисками, а это, в свою очередь, изменяет частоту, на которой протоны молекул воды вокруг и внутри геля резонируют в ответ на радиочастотное излучение.

Сканирование образца с использованием диапазона частот быстро определяет настоящую форму наносенсоров, эффективно изучая условия окружающей среды через изменения резонансной частоты, которые вызваны меняющими форму зондами.

Ученые испытывали ГКМ датчики в растворах с разным рН

В эксперименте, описанном в Nature, ученые испытывали датчики в растворах с разным рН, в растворах с разной концентрацией ионов, в жидкой среде, содержащей живые клетки почек собаки.

Метаболизм этих клеток изменялся от обычного состояния до функционирования в условиях отсутствия кислорода. Это явление сопровождалось ростом кислотности, развивалось постепенно, и было зафиксировано с помощью ГКМ-датчика в режиме реального времени.

Даже при использовании неоптимизированных датчиков первого поколения, изменения резонирующей частоты вследствие сдвига рН были на порядок более легко распознаваемы, чем при использовании любого другого определения этих изменений методами магнитной резонансной спектроскопии.

Отслеживание локальных изменений рН

Отслеживание локальных изменений рН в живых организмах трудно осуществить (анализ крови не может этого оценить, потому что она смешивается из разных органов). Тем не менее, локальные изменения рН могут предоставить ценную информацию о развитии многих заболеваний.

Например, рН вокруг опухолевых клеток немного ниже, чем в нормальных тканях. Воспалительный процесс также вызывает локальное изменение рН. Обнаружение этих сдвигов может выявить, например, присутствие необнаруженной опухоли, или наличие воспаления вокруг хирургического имплантата.

«Конечно, до такого потенциального использования в живых организмах еще далеко, — сказал Гари Забоу.

– Наше исследование проведено in vitro. И некоторые потенциальные возможности сенсоров не могут быть применены на биологических тканях вообще. Но долгосрочной целью является улучшение нашей техники до такой степени, при которой ГКМ-датчики смогут быть использованы для биомедицинских целей».

Это требует, среди всего остального, дальнейшей миниатюризации. ГКМ-сенсоры диаметром 0,5-2 микрометра достаточно малы для большинства небиологических экспериментов и экспериментов in vitro, а также, возможно, и для некоторых измерений in vivo.

Но предварительные оценки экспериментаторов показывают, что размеры сенсоров могут быть уменьшены до, предположительно, диаметра менее 100 нанометров. Это может открыть много дополнительных возможностей использования датчиков в медицине и биологии.

Важная особенность ГКМ

Одной из наиболее важных особенностей ГКМ-сенсоров является то, что их можно «настроить» отвечать на различные биохимические состояния и резонировать на разные части радиочастотного спектра за счет соответствующих изменений состава гидрогеля, изменений формы и состава магнитных дисков.

Таким образом, разместив два разных вида ГКМ-датчиков в одном и том же месте, можно отслеживать изменения двух разных характеристик в режиме реального времени. Эту возможность исследователи продемонстрировали, разместив сенсоры с двумя различными характеристиками в одном и том же месте и принимая сигналы от них одновременно.

«Идея состоит в том, чтобы разработать разные сенсоры для определения разных показателей, эффективно измерять различные потенциальные биомаркеры одновременно, а не только по одному, чтобы лучше дифференцировать разные заболевания, — говорит Гари Забоу.

– Мы думаем, что эти датчики потенциально могут быть адаптированы для измерения многих различных биомаркеров, включая, возможно, глюкозу, локальную температуру, концентрацию различных ионов, присутствие или отсутствие разных ферментов, и так далее».

Рон Гольфарб, руководитель NIST’sMagneticsGroup, отмечает, что «работа Гари Забоу и его коллег над геометрически кодированными магнитными датчиками является природным продолжением исследования, которое было опубликовано командой Джона Морленда в 2008 году.

Эта работа показывала, как микромагниты могут выступать в роли «умных ярлыков» для потенциальной идентификации конкретных клеток, тканей или физиологических условий.

Функционально, ГКМ-датчики являются более современными, они меняют свою форму в ответ на стимул, выступая в роли измерительных устройств. Следующим шагом будет оптимизация конструкции и разработка контроля размера датчиков, их широкомасштабное производство для того, чтобы эти сенсоры стали доступны для исследователей».