Пластиковый транзистор усиливает биохимический сигнал 10.04.2023

Молекулы в нашем теле постоянно общаются. Некоторые из этих молекул обеспечивают биохимический отпечаток пальца, который может указать, как заживает рана, действует ли лечение рака или нет, или вирус вторгся в организм. Если бы мы могли ощущать эти сигналы в режиме реального времени с высокой чувствительностью, тогда мы могли бы быстрее распознавать проблемы со здоровьем и следить за прогрессированием болезни.

Теперь исследователи Северо-Западного университета разработали новую технологию, облегчающую подслушивание внутренних разговоров нашего тела.

Хотя химические сигналы организма невероятно слабы, что затрудняет их обнаружение и анализ, специалисты разработали новый метод, усиливающий сигналы более чем в 1000 раз. Транзисторы, строительный блок электроники могут усиливать слабые сигналы, чтобы обеспечить усиленный выход. Новый подход упрощает обнаружение сигналов без сложной и громоздкой электроники.

Обеспечивая усиление слабых биохимических сигналов, новый подход делает современную медицину на шаг ближе к диагностике на месте и мониторингу заболеваний в реальном времени.

Хотя они передают жизненно важную информацию, наполненную потенциалом для диагностики и лечения, многие химические датчики выдают слабые сигналы. На самом деле медицинские работники часто не могут расшифровать эти сигналы, не принимая образец (кровь, пот, слюна) и не пропуская его через высокотехнологичное лабораторное оборудование. Обычно это оборудование дорогостоящее и, возможно, даже расположено за пределами предприятия. И для возвращения результатов может потребоваться невыносимо много времени. Однако команда Ривне стремится почувствовать и усилить эти скрытые сигналы, не выходя из тела.

Другие ученые исследовали электрохимические сенсоры для биосенсора с помощью аптамеров, представляющих собой отдельные цепи ДНК, предназначенные для связывания с конкретными мишенями. После успешного связывания с интересной мишенью аптамеры действуют как электронный переключатель, складываясь в новую структуру, запускающую электрохимический сигнал. Но только с аптамерами сигналы часто слабы и очень восприимчивы к шумам и искажениям, если не проверить в идеальных и хорошо контролируемых условиях.

Чтобы избежать этой проблемы, команда Rivnay оснастила усилитель на традиционном датчике на основе электродов и разработала датчик на основе электрохимического транзистора с новой архитектурой, который может ощущать и усиливать слабый биохимический сигнал. В этом новом устройстве используется электрод для восприятия сигнала, но соседний транзистор предназначен для усиления сигнала. Исследователи также включили встроенный тонкопленочный электрод сравнения, чтобы сделать усиленные сигналы более стабильными и надежными.

Чтобы проверить новую технологию, команда Ривнай обратилась к обычному цитокину, типу сигнального белка, который регулирует иммунный ответ и участвует в восстановлении и регенерации тканей. Измеряя концентрацию определенных цитокинов вблизи раны, эксперты могут оценить, насколько быстро рана заживает, есть ли новая инфекция или другие медицинские вмешательства.

В серии экспериментов Ровнай и его команда смогли усилить сигнал цитокинов на три-четыре порядка величины по сравнению с традиционными методами определения аптамеров на основе электродов. Несмотря на то, что технология показала хорошие результаты в экспериментах по определению сигналов цитокинов, она должна иметь возможность усиливать сигналы от любой молекулы или химического вещества, включая антитела, гормоны или лекарства, где схема обнаружения использует электрохимические репортеры.