Исследователи из Сколтеха разработали прототип флуоресцентного сенсора, который непрерывно следит за концентрацией кортизола в организме. По словам авторов, имплантируемый сенсор на основе этой технологии можно будет использовать в клинической практике. Работа опубликована в журнале Talanta.
При стрессе и травмах кора надпочечников выделяет глюкокортикоидные гормоны, которые помогают организму адаптироваться к неблагоприятному состоянию. Основной гормон стресса человека — кортизол. Поскольку кортизол выделяется в ответ на стрессовую ситуацию, то измерение его уровня используют как показатель стресса. Также изменение количества гормона может быть признаком заболеваний.
До сих пор не существует достаточно точных и надежных методов для непрерывного мониторинга уровня кортизола in vivo. Существующие лабораторные методы, в частности, твердофазный иммуноферментный анализ, надежны, но требуют предварительной подготовки образцов, что не позволяет использовать их в режиме реального времени. К тому же забор крови — процедура, вызывающая стресс как у животных, так и у людей, а в стрессовом состоянии концентрация кортизола повышается, и результат анализа оказывается недостоверным. Поэтому есть важность в разработке имплантируемого сенсора для контроля кортизола непосредственно в кровотоке.
Ученые из Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам под руководством Софии Сафарян (Sofia M.Safarian) в сотрудничестве с биологами Сколтеха под началом Юрия Котелевцева (Yuri V.Kotelevtsev) разработали прототип иммуносенсора с использованием золотых наночастиц для количественного контроля кортизола. В основе работы сенсора лежит иммунная реакция антигена с антителом.
Антитела вырабатываются в организме в ответ на проникновение чужеродного вещества — антигена. Однако вещества с небольшой молекулярной массой не беспокоят иммунитет. Но иммунный ответ наступает, если их утяжелить, присоединив к более крупным молекулам, например, белкам. Поэтому для получения антител к кортизолу, мышам вводили их комплексы с белками, затем выработанные антитела выделяли из крови животных.
Чтобы изготовить сенсор, электронно-лучевым испарителем на стеклянную подложку осадили золотые частицы, которые образовали на ней наноостровки из золота. Затем на золотой слой нанесли вещество, к которому при помощи химической реакции присоединили антитела. После этого на антитела посадили молекулы кортизола в комплексе с белком и флуоресцентной меткой.
Работу сенсора ученые опробовали на солевых растворах с различной концентрацией кортизола. Содержащийся в образце свободный кортизол вытеснял молекулы кортизола в комплексе с белком и флуоресцентной меткой и сам связывался с антителами. Когда все антитела были заняты кортизольным комплексом с меткой, интенсивность излучения флуоресцентных молекул была высокой за счет близости к золотым наночастицам. А при замещении на свободный кортизол флуоресценция уменьшалась, так как метка оказывалась далеко от наночастиц, усиливающих сигнал. Количество гормона стресса в образцах измеряли по интенсивности флуоресценции с помощью прибора спектрофотометра.
Тесты показали, что сенсор может регистрировать кортизол даже в очень маленьком количестве — 0,02 микрограмма на миллилитр, что соответствует нормальному уровню гормона в плазме крови человека. Для непрерывной работы сенсора важна обратимость связывания кортизола с антителами без ошибки в измерениях, что также было продемонстрировано в работе.
В перспективе ученые хотят создать имплантируемый сенсор в виде оптического волокна, на конце которого находится капиллярная ячейка с полупроницаемой мембраной, помещенной в тонкую иглу, подключаемую к портативному спектрометру по оптоволокну.
«Нам необходимо разработать имплантируемый сенсор с полупроницаемой мембраной, отделяющей небольшие молекулы типа кортизола от белков и других составляющих биологической жидкости: крови, слюны, внутритканевой жидкости. Подобные устройства для измерения глюкозы уже существуют. Для создания имплантируемого сенсора предстоит решить ряд сложных задач», — расскал один из авторов статьи, профессор Сколтеха и Университета Северного Техаса Владимир Драчев.
Контроль кортизола уже давно интересует ученых и медиков. Несколько лет назад был создан сенсор, похожий на пластырь, который измеряет уровень гормона стресса в каплях пота.
Виктория Барановская