В университете «Дубна» нашли способ удешевить экспресс-диагностику вирусных болезней

На пике пандемии коронавируса возникла острая необходимость в средствах диагностики вирусных заболеваний, позволяющих быстро и достоверно выявлять наличие патогенов в организме человека на ранних стадиях. Иммунохроматографический метод анализа в форм-факторе тест-полосок зарекомендовал себя лучше всего.

Среднее время ожидания результатов не превышало получаса, достигалась достаточно высокая чувствительность обнаружения патогенов, а использоваться такие тесты могли как в специализированных лабораториях и мобильных медицинских точках, так и индивидуально каждым пациентом. Однако данный метод так и не смог занять лидирующие позиции на рынке и стать основным средством диагностики в государственных учреждениях. Причина — в высокой стоимости, связанной с использованием частиц коллоидного золота в качестве аналитических меток.

Проект химиков дубненского университета «Разработка методики синтеза и модификации углеродных точек для использования в качестве флуоресцентных маркеров в иммунохроматографическом анализе» под руководством Сагилы Новиковой, старшего преподавателя кафедры химии, новых технологий и материалов, направлен на решение данной проблемы. Дорогие частицы коллоидного золота заменяются на дешевые и более эффективные углеродные точки. Они представляют собой флуоресцирующие наноразмерные углеродные объекты. Получить их можно очень просто — нагреванием лимонной кислоты с различными добавками. Комбинация уникальных флуоресцентных свойств и простоты производства выгодно выделяет углеродные точки среди других материалов, которые могут быть использованы в качестве меток для иммунохроматографического анализа. Однако сами по себе углеродные точки не могут применяться в данных средствах диагностики ввиду невысокой стабильности. Разработанная методика синтеза с последующей модификацией частиц полностью решает эту проблему, позволяя применять дешевые и эффективные углеродные точки в средствах медицинской диагностики.

Результат данного проекта может быть интересен широкому кругу НИИ, занимающихся исследованиями в сфере медицинской диагностики, и предприятиям, производящим соответствующие тест-системы. Начало коммерциализации запланировано к августу 2024 года в виде розничных продаж продукции физическим лицам. В будущем планируется переход на продажу временных неисключительных лицензий производственным предприятиям. Дальнейшее развитие идея получит в рамках адаптации свойств получаемых частиц под нужды других отраслей. Так, например, углеродные точки могут эффективно использоваться эколого-аналитическими лабораториями для определения содержания тяжелых металлов и нефтедобывающими компаниями для разведки нефтенасыщенности пластовых вод. Преимущество данного проекта над конкурентными решениями и большой экономический потенциал идеи были отмечены членами комиссии конкурса «Умник-2022» и приглашенными экспертами из компаний—резидентов особой экономической зоны «Дубна» в рамках защиты проекта в формате «Стартап как диплом».

Павел Насиров, студент магистратуры кафедры химии, новых технологий и материалов университета «Дубна», исполнитель проекта:

— Как работает иммунохроматографический анализ?

— Иммунохроматографический анализ основан на способности антител избирательно и прочно связываться с конкретным антигеном. В случае применения тест-полосок жидкость, предположительно содержащая интересующий патоген, помещается на тонкую полоску из нитроцеллюлозной мембраны и под действием капиллярных сил движется вдоль полоски. В другой части полоски нанесены антитела, которые взаимодействуют с патогеном, находящимся в жидкости.

— Зачем в этом методе аналитические метки? Что это такое?

— Аналитические метки нужны, чтобы проявить эту полоску. Для этого на нее наносят еще одну зону между местом нанесения жидкости и тестовой зоной. В этом месте располагают комплексы биомолекул и антител (специальных меток), которые смываются потоком проходящей жидкости и задерживаются на тестовой зоне вместе с патогеном.

— Почему в качестве меток использовали частицы коллоидного золота? Какие еще материалы могут быть использованы как такие точки?

— Традиционно используемые наночастицы коллоидного золота придают тестовой зоне красный цвет, и наличие патогена в жидкости можно определить невооруженным глазом. А для более точного определения содержания антигенов используют программное обеспечение, анализирующее яркость полученной окраски. Более перспективными являются аналитические метки, обладающие способностью к флуоресценции, так как тесты на основе флуоресцентной детекции имеют чувствительность на порядок выше. В качестве таких меток можно использовать квантовые точки — нанокристаллы полупроводников, обладающие флуоресцентными свойствами. В настоящий момент в мире активно разрабатываются иммунохроматографические системы на основе халькогенидных и перовскитных квантовых точек. Однако создание таких систем сопряжено со сложными процессами получения и модификации данных наночастиц. В чистом виде их использовать нельзя: тяжелые металлы в их составе нарушают биологические функции иммунореагентов, а перовскитные квантовые точки и вовсе разлагаются в воде.

— Почему лучше использовать именно углеродные точки? Почему они нестабильны?

— Углеродные точки выгодно выделяются отличной биосовместимостью и простотой получения, за исключением низкой коллоидной стабильности. Причиной является природа поверхности получаемых частиц. В результате синтеза на ней образуется множество функциональных групп (структурных фрагментов молекулы) с различной реакционной способностью. Под действием тепла, света, кислот или оснований данные функциональные группы могут вступать в реакции с поверхностью других углеродных точек, биомолекулами, молекулами растворителя или другими компонентами матрицы. Для устранения данной проблемы поверхность углеродных точек можно покрыть слоем иного органического вещества.

— Расскажите подробнее о методике синтеза с последующей модификацией частиц. Как она решает проблему нестабильности?

— Нами синтезируются углеродные точки методом микроволнового синтеза из раствора лимонной кислоты и трис-(гидроксиметил)-аминометана. После чего к поверхности готовых углеродных точек могут быть химически пришиты аминокислоты, например L-цистеин, и некоторые полимеры, такие как полималеиновый ангидрид, поливинилпирролидон, хитозан.

— Как можно адаптировать свойства получаемых частиц под нужды других отраслей? Какие отрасли смогут этим пользоваться и как?

— Изменяя тип поверхностного модификатора, можно адаптировать углеродные точки под разные задачи. Использование низкомолекулярных соединений меньше влияет на сенсорные свойства углеродных точек и позволит использовать их для определения содержания тяжелых металлов. Плотные полимерные покрытия могут привести к ухудшению флуоресцентных свойств углеродных точек взамен превосходной стабильности, что может быть полезно для их использования в качестве индикаторов нефтенасыщенности пластовых вод в геологической разведке. Покрытие углеродных точек гидрофобными молекулами позволит растворять их в маслах, используя в качестве антифрикционных присадок, уменьшающих износ деталей.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки.