Новый датчик обнаруживает пневмонию по дыханию пациента
Инженеры из Массачусетский технологический институт разработали новый тест, позволяющий выявлять соединения, связанные с болезнями, в выдыхаемом человеком воздухе. Такая технология может ускорить диагностику пневмонии и других заболеваний легких: вместо рентгена грудной клетки или ожидания лабораторных анализов пациент сможет пройти дыхательный тест и получить результат всего за несколько минут.
Разработка представляет собой портативный датчик на микрочипе, который улавливает синтетические молекулы – так называемые биомаркеры заболеваний. Эти маркеры изначально прикреплены к вдыхаемым наночастицам и освобождаются только при взаимодействии со специфическими "ключами", например ферментами, связанными с определенной болезнью. Предполагается, что пациент сначала вдыхает такие наночастицы – примерно так же, как лекарства при астме. Если человек здоров, они выводятся из организма без изменений. Но при наличии инфекции, например пневмонии, ферменты, возникающие в ходе болезни, отделяют биомаркеры от наночастиц. Затем эти молекулы выдыхаются и могут быть обнаружены прибором, что указывает на наличие заболевания.
Ранее для выявления подобных биомаркеров требовалось сложное лабораторное оборудование, которое редко есть в обычных медицинских кабинетах. Теперь исследователи показали, что их новый портативный прибор способен обнаруживать такие молекулы даже в очень низких концентрациях. Устройство получило название PlasmoSniff, и в будущем его планируют встроить в компактный диагностический прибор, который можно будет использовать как в клиниках, так и дома. В основе разработки лежит область науки, известная как Плазмоника – изучение взаимодействия света с веществом на наноуровне. Ученые использовали Рамановскую спектроскопию, позволяющую определять молекулы по характерным колебаниям их химических связей. Однако обнаружить нужные биомаркеры непросто, поскольку их очень мало среди множества других молекул в выдыхаемом воздухе. По словам исследователей, это похоже на поиск иголки в стоге сена.
Чтобы решить проблему, команда создала сенсор, усиливающий сигнал нужных молекул. Его основа – тонкая золотая пленка, покрытая слоем золотых наночастиц с пористой кремнеземной оболочкой. Между частицами и пленкой остается зазор всего около пяти нанометров. Поверхность сенсора модифицирована так, чтобы связываться с молекулами воды, которые, в свою очередь, "прилипают" к биомаркерам. Такая структура усиливает свет благодаря плазмонному резонансу: электроны в золотых наноструктурах начинают коллективно колебаться под действием света, концентрируя электромагнитное поле в микроскопическом зазоре. Попавшие туда биомаркеры дают значительно более сильный сигнал рассеянного света, который можно измерить и сопоставить с характерным "отпечатком" конкретной молекулы.
В ходе экспериментов ученые протестировали сенсор на образцах легочной жидкости здоровых мышей, добавив туда биомаркеры пневмонии. Образцы нагревали, чтобы имитировать выдыхаемый воздух, а датчик фиксировал молекулы, проходящие через него вместе с паром. Результаты показали, что устройство способно быстро обнаруживать биомаркеры пневмонии даже при очень низких концентрациях, имеющих клиническое значение.
