Znanstvenici s prestižnog Massachusetts Institute of Technology (MIT) postigli su značajan napredak u razvoju dijagnostičkih alata koji bi mogli revolucionirati pristup zdravstvenoj skrbi diljem svijeta. Riječ je o jeftinim, jednokratnim elektrokemijskim senzorima obloženim DNK, koji obećavaju brzu i pristupačnu detekciju širokog spektra bolesti, od karcinoma do zaraznih oboljenja poput gripe i HIV-a. Ova inovacija otvara vrata dijagnostici koja se može provoditi izravno u liječničkoj ordinaciji ili čak u udobnosti vlastitog doma, eliminirajući potrebu za skupom i složenom laboratorijskom opremom.

Inovativni pristup dijagnostici: DNK senzori i CRISPR tehnologija

Srž ove revolucionarne tehnologije leži u korištenju jeftine elektrode presvučene specifičnim lancima DNK. Ovi elektrokemijski senzori koriste enzim za rezanje DNK, koji je sastavni dio CRISPR sustava za uređivanje gena. Kada senzor detektira ciljanu molekulu, poput gena povezanog s karcinomom ili virusne sekvence, aktivira se enzim Cas12. Ovaj enzim, poznat po svojoj sposobnosti nespecifičnog rezanja DNK, počinje "kositi" DNK lance s površine elektrode, slično kosilici koja reže travu. Ova promjena u strukturi DNK na elektrodi rezultira mjerljivom promjenom električnog signala, što je jasan pokazatelj prisutnosti ciljane molekule.

Profesorica Ariel Furst, docentica kemijskog inženjerstva na MIT-u i viša autorica studije, ističe da je fokus njezinog tima na dijagnostici koja je trenutno ograničeno dostupna mnogim ljudima. "Naš je cilj stvoriti senzor za upotrebu na mjestu skrbi. Ljudi ga ne bi trebali koristiti samo u klinici. Mogli bi ga koristiti i kod kuće", objašnjava Furst. Ova vizija decentralizirane dijagnostike ključna je za poboljšanje globalnog zdravlja, posebno u regijama s ograničenim resursima gdje su tradicionalni laboratoriji rijetki ili nedostupni.

Prevladavanje izazova: Stabilnost DNK i polimerni premaz

Jedno od glavnih ograničenja dosadašnjih senzorskih tehnologija temeljenih na DNK bila je nestabilnost DNK premaza na elektrodi. DNK se brzo razgrađuje, što je značajno skraćivalo rok trajanja senzora i zahtijevalo strogo kontrolirane uvjete skladištenja, poput hlađenja. To je uvelike ograničavalo njihovu primjenu, posebno u udaljenim ili toplijim klimatskim područjima.

U nedavnoj studiji, objavljenoj krajem lipnja ove godine u časopisu ACS Sensors, istraživači s MIT-a pronašli su elegantno rješenje za ovaj problem. Stabilizirali su DNK premazom polimera nazvanog polivinil alkohol (PVA). Ovaj polimer, čija je cijena manja od jednog centa po premazu, djeluje poput zaštitne cerade koja štiti DNK ispod sebe. Nakon nanošenja na elektrodu, polimer se suši i formira tanak, zaštitni film.

Profesorica Furst objašnjava mehanizam zaštite: "Jednom osušen, čini se da stvara vrlo snažnu barijeru protiv glavnih stvari koje mogu naštetiti DNK, kao što su reaktivne kisikove vrste koje mogu oštetiti samu DNK ili prekinuti tiolnu vezu sa zlatom i skinuti DNK s elektrode." Zahvaljujući ovom inovativnom premazu, senzori se sada mogu skladištiti do dva mjeseca, čak i pri visokim temperaturama do približno 65 stupnjeva Celzijusa (150 stupnjeva Fahrenheita). Nakon skladištenja, senzori su uspješno detektirali gen PCA3, marker za rak prostate koji se često koristi u dijagnostici ove bolesti.

Pristupačnost i široka primjena

Cijena izrade ovih DNK-baziranih senzora iznosi samo oko 50 centi, što ih čini iznimno pristupačnima. Ova niska cijena, u kombinaciji s produljenim rokom trajanja i otpornošću na uvjete okoline, otvara put masovnoj primjeni u regijama s ograničenim resursima, gdje su tradicionalne dijagnostičke metode često preskupe ili logistički neizvedive. Zamislite mogućnost brzog testiranja na HIV ili HPV u ruralnim područjima Afrike ili Azije, bez potrebe za složenom infrastrukturom ili hladnim lancem.

Elektrokemijski senzori funkcioniraju mjerenjem promjena u protoku električne struje kada ciljana molekula stupi u interakciju s enzimom. To je ista tehnologija koju koriste glukometri za detekciju koncentracije glukoze u uzorku krvi, što ukazuje na njihovu pouzdanost i jednostavnost upotrebe. Senzori razvijeni u laboratoriju profesorice Furst sastoje se od DNK pričvršćene na jeftinu zlatnu folijsku elektrodu, koja je laminirana na plastičnu ploču. DNK je pričvršćena na elektrodu pomoću molekule koja sadrži sumpor, poznate kao tiol.

U studiji iz 2021. godine, laboratorij profesorice Furst pokazao je da se ovi senzori mogu koristiti za detekciju genetskog materijala HIV-a i humanog papiloma virusa (HPV). Senzori detektiraju svoje ciljeve pomoću vodećeg lanca RNK, koji se može dizajnirati da se veže na gotovo bilo koju DNK ili RNK sekvencu. Vodeća RNK je povezana s enzimom Cas12, koji nespecifično cijepa DNK kada je aktiviran i pripada istoj obitelji proteina kao i enzim Cas9 koji se koristi za CRISPR uređivanje genoma.

Ako je cilj prisutan, veže se na vodeću RNK i aktivira Cas12, koji zatim reže DNK pričvršćenu na elektrodu. To mijenja struju koju proizvodi elektroda, a koja se može mjeriti pomoću potenciostata (iste tehnologije koja se koristi u ručnim glukometrima). "Ako je Cas12 uključen, to je kao kosilica koja reže svu DNK na vašoj elektrodi, i to isključuje vaš signal", objašnjava Furst.

Potencijalne primjene i budući koraci

Ova vrsta testa mogla bi se koristiti s različitim vrstama uzoraka, uključujući urin, slinu ili briseve nosa, što dodatno proširuje njezinu primjenjivost. Istraživači se nadaju da će ovaj pristup iskoristiti za razvoj jeftinijih dijagnostičkih testova za zarazne bolesti, poput HPV-a ili HIV-a, koji bi se mogli koristiti u liječničkoj ordinaciji ili kod kuće. Osim toga, ova bi se metoda mogla primijeniti i za razvoj testova za novonastale zarazne bolesti, što je od iznimne važnosti u kontekstu globalnih pandemija.

Tim istraživača iz laboratorija profesorice Furst nedavno je prihvaćen u delta v, akcelerator studentskih poduzeća na MIT-u, gdje se nadaju pokrenuti startup kako bi dodatno razvili ovu tehnologiju. Sada kada mogu stvarati testove s mnogo duljim rokom trajanja, planiraju ih početi slati na lokacije gdje bi se mogli testirati s uzorcima pacijenata u stvarnim uvjetima.

"Naš je cilj nastaviti testirati s uzorcima pacijenata protiv različitih bolesti u stvarnim okruženjima", kaže Furst. "Naše je ograničenje prije bilo to što smo morali izrađivati senzore na licu mjesta, ali sada kada ih možemo zaštititi, možemo ih slati. Ne moramo koristiti hlađenje. To nam omogućuje pristup mnogo robusnijim ili neidealnim okruženjima za testiranje."

Ovo istraživanje, djelomično financirano od strane Odbora za podršku istraživanju MIT-a i MathWorks Fellowshipa, predstavlja značajan korak naprijed u demokratizaciji dijagnostike. Sposobnost stvaranja jeftinih, stabilnih i lako prenosivih dijagnostičkih alata ima potencijal transformirati javno zdravstvo, omogućujući bržu detekciju bolesti, učinkovitije praćenje epidemija i poboljšani pristup zdravstvenoj skrbi za milijune ljudi diljem svijeta.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology