Naukowcy z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) dokonali znaczącego przełomu w rozwoju narzędzi diagnostycznych, które mogą zrewolucjonizować dostęp do opieki zdrowotnej na całym świecie. Chodzi o tanie, jednorazowe czujniki elektrochemiczne pokryte DNA, które obiecują szybkie i przystępne cenowo wykrywanie szerokiego spektrum chorób, od nowotworów po choroby zakaźne, takie jak grypa i HIV. Ta innowacja otwiera drzwi do diagnostyki, która może być przeprowadzana bezpośrednio w gabinecie lekarskim, a nawet w zaciszu własnego domu, eliminując potrzebę stosowania drogiego i skomplikowanego sprzętu laboratoryjnego.

Innowacyjne podejście do diagnostyki: czujniki DNA i technologia CRISPR

Istotą tej rewolucyjnej technologii jest wykorzystanie taniej elektrody pokrytej specyficznymi łańcuchami DNA. Te czujniki elektrochemiczne wykorzystują enzym tnący DNA, który jest integralną częścią systemu edycji genów CRISPR. Kiedy czujnik wykryje docelową cząsteczkę, taką jak gen związany z nowotworem lub sekwencja wirusowa, aktywowany jest enzym Cas12. Enzym ten, znany ze swojej zdolności do niespecyficznego cięcia DNA, zaczyna "kosić" łańcuchy DNA z powierzchni elektrody, podobnie jak kosiarka tnąca trawę. Ta zmiana w strukturze DNA na elektrodzie skutkuje mierzalną zmianą sygnału elektrycznego, co jest wyraźnym wskaźnikiem obecności cząsteczki docelowej.

Profesor Ariel Furst, adiunkt inżynierii chemicznej na MIT i starsza autorka badania, podkreśla, że jej zespół koncentruje się na diagnostyce, która jest obecnie ograniczona dla wielu osób. "Naszym celem jest stworzenie czujnika do użytku w miejscu opieki. Ludzie nie powinni go używać tylko w klinice. Mogliby go również używać w domu" - wyjaśnia Furst. Ta wizja zdecentralizowanej diagnostyki jest kluczowa dla poprawy globalnego zdrowia, zwłaszcza w regionach o ograniczonych zasobach, gdzie tradycyjne laboratoria są rzadkie lub niedostępne.

Pokonywanie wyzwań: stabilność DNA i powłoka polimerowa

Jednym z głównych ograniczeń dotychczasowych technologii czujników opartych na DNA była niestabilność powłoki DNA на elektrodzie. DNA szybko się rozkłada, co znacznie skracało okres przydatności do użycia czujnika i wymagało ściśle kontrolowanych warunków przechowywania, takich jak chłodzenie. To znacznie ograniczało ich zastosowanie, zwłaszcza w odległych lub cieplejszych strefach klimatycznych.

W niedawnym badaniu, opublikowanym pod koniec czerwca tego roku w czasopiśmie ACS Sensors, naukowcy z MIT znaleźli eleganckie rozwiązanie tego problemu. Ustabilizowali DNA za pomocą powłoki polimerowej o nazwie alkohol poliwinylowy (PVA). Ten polimer, którego koszt wynosi mniej niż jeden cent za powłokę, działa jak plandeka ochronna, która chroni znajdujące się pod nią DNA. Po nałożeniu na elektrodę polimer wysycha i tworzy cienką, ochronną warstwę.

Profesor Furst wyjaśnia mechanizm ochrony: "Po wyschnięciu wydaje się tworzyć bardzo silną barierę przed głównymi czynnikami, które mogą uszkodzić DNA, takimi jak reaktywne formy tlenu, które mogą uszkodzić samo DNA lub zerwać wiązanie tiolowe ze złotem i usunąć DNA z elektrody." Dzięki tej innowacyjnej powłoce czujniki mogą być teraz przechowywane do dwóch miesięcy, nawet w wysokich temperaturach do około 65 stopni Celsjusza (150 stopni Fahrenheita). Po przechowaniu czujniki z powodzeniem wykryły gen PCA3, marker raka prostaty, który jest często używany w diagnostyce tej choroby.

Dostępność i szerokie zastosowanie

Koszt wykonania tych czujników opartych na DNA wynosi zaledwie około 50 centów, co czyni je niezwykle przystępnymi cenowo. Ta niska cena, w połączeniu z przedłużonym okresem przydatności do użycia i odpornością na warunki środowiskowe, otwiera drogę do masowego zastosowania w regionach o ograniczonych zasobach, gdzie tradycyjne metody diagnostyczne są często zbyt drogie lub logistycznie niewykonalne. Wyobraź sobie możliwość szybkiego testowania na obecność HIV lub HPV na obszarach wiejskich Afryki lub Azji, bez potrzeby skomplikowanej infrastruktury lub łańcucha chłodniczego.

Czujniki elektrochemiczne działają poprzez pomiar zmian w przepływie prądu elektrycznego, gdy cząsteczka docelowa wchodzi w interakcję z enzymem. Jest to ta sama technologia, której używają glukometry do wykrywania stężenia glukozy w próbce krwi, co wskazuje na ich niezawodność i prostotę użycia. Czujniki opracowane w laboratorium profesor Furst składają się z DNA przymocowanego do taniej elektrody z folii złotej, która jest laminowana na plastikowej płytce. DNA jest przymocowane do elektrody za pomocą cząsteczki zawierającej siarkę, znanej jako tiol.

W badaniu z 2021 roku laboratorium profesor Furst wykazało, że czujniki te mogą być używane do wykrywania materiału genetycznego HIV i wirusa brodawczaka ludzkiego (HPV). Czujniki wykrywają swoje cele za pomocą prowadzącego łańcucha RNA, który można zaprojektować tak, aby wiązał się z prawie każdą sekwencją DNA lub RNA. Prowadzące RNA jest połączone z enzymem Cas12, który niespecyficznie tnie DNA po aktywacji i należy do tej samej rodziny białek co enzym Cas9 używany do edycji genomu CRISPR.

Jeśli cel jest obecny, wiąże się z prowadzącym RNA i aktywuje Cas12, który następnie tnie DNA przymocowane do elektrody. To zmienia prąd wytwarzany przez elektrodę, który można zmierzyć za pomocą potencjostatu (tej samej technologii, która jest używana w ręcznych glukometrach). "Jeśli Cas12 jest włączony, to jest jak kosiarka, która tnie całe DNA na twojej elektrodzie, i to wyłącza twój sygnał" - wyjaśnia Furst.

Potencjalne zastosowania i przyszłe kroki

Ten rodzaj testu mógłby być stosowany z różnymi rodzajami próbek, w tym z moczem, śliną lub wymazami z nosa, co dodatkowo rozszerza jego zastosowanie. Naukowcy mają nadzieję wykorzystać to podejście do opracowania tańszych testów diagnostycznych na choroby zakaźne, takie jak HPV czy HIV, które mogłyby być stosowane w gabinecie lekarskim lub w domu. Ponadto metoda ta mogłaby być również zastosowana do opracowania testów na nowo pojawiające się choroby zakaźne, co ma ogromne znaczenie w kontekście globalnych pandemii.

Zespół badaczy z laboratorium profesor Furst został niedawno przyjęty do delta v, akceleratora przedsiębiorstw studenckich na MIT, gdzie mają nadzieję założyć startup, aby dalej rozwijać tę technologię. Teraz, gdy mogą tworzyć testy o znacznie dłuższym okresie przydatności do użycia, planują zacząć wysyłać je do miejsc, w których mogłyby być testowane z próbkami pacjentów w rzeczywistych warunkach.

"Naszym celem jest kontynuowanie testów z próbkami pacjentów na różne choroby w rzeczywistych warunkach", mówi Furst. "Naszym ograniczeniem wcześniej było to, że musieliśmy tworzyć czujniki na miejscu, ale teraz, gdy możemy je chronić, możemy je wysyłać. Nie musimy używać chłodzenia. To daje nam dostęp do znacznie bardziej solidnych lub nieidealnych środowisk testowych."

Badanie to, częściowo finansowane przez Komitet Wsparcia Badań MIT i stypendium MathWorks, stanowi znaczący krok naprzód w demokratyzacji diagnostyki. Zdolność do tworzenia tanich, stabilnych i łatwo przenośnych narzędzi diagnostycznych ma potencjał do przekształcenia zdrowia publicznego, umożliwiając szybsze wykrywanie chorób, skuteczniejsze monitorowanie epidemii i lepszy dostęp do opieki zdrowotnej dla milionów ludzi na całym świecie.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology