Московский физико-технический институт патентует биосенсорные чипы на основе графена, оксида графена и углеродных нанотрубок, которые позволят увеличить точность анализа биохимических реакций и ускорят поиск новых жизненно важных лекарственных средств.
Американское патентное ведомство опубликовало заявку на патент №20150301039, поданную МФТИ в мае этого года. В заявке описаны «биологический сенсор и способ создания биологического сенсора». В России эта разработка уже защищена патентом №2527699 с приоритетом от 20 февраля 2013 года. Ключевой особенностью сенсора является использование в качестве связующего слоя тонкой пленки из нескольких слоев графена или оксида графена. Графен - это первый истинно двумерный кристалл экспериментально полученный в лабораторных условиях, обладающий уникальными физико-химическими свойствами. В 2010 году выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике за “передовые опыты с двумерным материалом - графеном”. В настоящее время наблюдается взрывной рост исследований, направленных на поиск коммерческих приложений для графена и других двумерных материалов. В рамках только одного европейского проекта “The Graphene Flagship” на эти цели выделено финансирование в размере 1 млрд. евро. Во всем мире открываются новые технологические компании в продуктах которых используются двумерные материалы, а такие гиганты, как Apple и Samsung, активно скупают патенты на графеновые технологии. По сообщению агентства Bloomberg, графен станет одним из основных инструментов борьбы этих корпораций за первенство на рынке мобильных технологий. При этом одним из наиболее перспективных применений графена рассматриваются биомедицинские технологии, над чем и работают исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ.
Схематичное изображение поперечного сечения графенового биосенсорного чипа из заявки US Patent Application No. 20150301039 (Oct 2015)
Безметковые биосенсоры сравнительно недавно появились в лабораториях биохимиков и фармацевтов, значительно облегчив и упростив их работу. Эти сенсоры позволяют обнаруживать малые концентрации биологически важных молекулярных объектов (РНК, ДНК, белки, включая антитела и антигены, вирусы и бактерии) и исследовать их химические свойства. В отличие от других биохимических методов, для работы биосенсоров не нужно использовать флуоресцентные или радиоактивные метки-маркеры, что упрощает проведение эксперимента, а также снижает вероятность получения ошибочных данных, связанную с влиянием меток на прохождение биохимических реакций. Основными областями применения данной технологии являются фармацевтические и научные исследования, медицинская диагностика, контроль качества продуктов питания и обнаружение токсинов. Безметковые биосенсоры уже зарекомендовали себя, как средство получения максимально информационно полных и надежных данных о фармакокинетике и фармакодинамике лекарственных средств на стадии доклинических исследований. Преимущества данного метода объясняются тем, что кинетика прохождения биохимических реакций лиганда (действующего вещества) с различными мишенями может наблюдаться в режиме реального времени, что позволяет наиболее точно извлечь данные о скорости прохождения реакции, что было недоступно ранее. Эти данные в свою очередь представляют собой информацию об эффективности действия лекарственного средства, а также об его токсичности, в случае, если в качестве мишеней рассматриваются «здоровые» клетки или их части, на которые лекарство в идеальном случае не должно воздействовать.
Работа большей части безметковых биосенсоров основана на использовании спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса. Параметры “резонанса” зависят от свойств поверхности настолько сильно, что даже ничтожные количества «постороннего» вещества заметно на них влияют. Биосенсоры в состоянии обнаружить присутствие триллионных долей грамма детектируемого вещества на площадке в квадратный миллиметр.
Коммерческие приборы такого типа продаются в формате «принтер-картридж». «Принтером» является сам биосенсор, включающий в себя оптическую часть, микрофлуидику и электронику. «Картриджами» или расходными материалами для биосенсоров являются сенсорные чипы, включающие в себя стеклянную подложку, тонкую золотую пленку и связующий слой для адсорбции биомолекул. Существующие сейчас сенсорные чипы используют две технологии связующих слоев, которые появились более 20 лет назад и основаны либо на слое самособирающихся тиоловых молекул, либо слое гидрогеля (чаще всего это карбоксиметилированный декстран). При этом прибыль, получаемая компаниями от продаж биосенсоров и расходных материалов к ним, распределяется в соотношении 50:50.
Авторы патента, Алексей Арсенин и Юрий Стебунов, предлагают альтернативу существующим сенсорным чипам для биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса. При определенных условиях использование графена или оксида графена в качестве связующего слоя между металлической пленкой и биологическим слоем, включающим в себя молекулы-мишени позволяет существенным образом улучшить чувствительность биодетектирования. Графеновые сенсорные чипы были протестированы на биосенсорах Biacore™ T200 (General Electric Company) и BiOptix 104sa.
Использование сенсорных чипов на основе оксида графена для анализа реакции гибридизации ДНК подробно описано в недавней работе авторов разработки в журнале Американского химического общества ACS Applied Materials & Interfaces. Помимо более высокой чувствительности, по сравнению с коммерческими аналогами, предложенные сенсорные чипы обладают необходимым свойством биоспецифичности и могут быть использованы многократно, что сильно снижает издержки на проведение биохимических исследований с их помощью.
Использование графена позволяет повысить чувствительность проводимых с помощью спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса анализов в десятки раз, что приведет к революции в области фармацевтического биодетектирования. Применение биосенсоров в настоящее время ограничено анализом биологических препаратов, основанных на крупных молекулах, в то время как более половины ежегодно выпускаемых лекарственных препаратов имеют низкую молекулярную массу (не более нескольких сотен дальтон). Осаждение лекарственных мишеней на поверхность графенового чипа делает возможным тестирование взаимодействия мишеней с малыми молекулами. Примером может служить разработка лекарственных препаратов, воздействующих на рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR), которые на данный момент являются мишенью для 40% выпускаемых на рынке лекарств. При этом сейчас фармацевтические исследования лекарственных средств, воздействующих на GPCR не проводятся с использованием биосенсоров на основе явления поверхностного плазмонного резонанса по причине недостаточной чувствительности метода. В результате ожидается, что использование графеновых биосенсоров в фармацевтических исследованиях позволит ускорить разработку лекарств и победить опасные заболевания, найти защиту от которых не получается средствами, имеющимися на сегодняшний день у фармакологов.
“Допустим, мы хотим узнать эффективность лекарства от рака. В случае, если лекарство связывается с белком-мишенью на раковой клетке, то оно деактивирует дальнейшее развитие опухоли. Но, чтобы оценить действенность анализируемого препарата - необходимо понять насколько сильно оно связывается с ней” - говорит Юрий Стебунов, один из авторов разработки. Помещая на поверхность графенового чипа белки клеток раковой опухоли наряду с белками из легких, сердца, мозга и других здоровых тканей организма можно отобрать действующие лекарственные кандидаты и оценить их эффективность.
«Еще несколько лет назад считалось, что финансирование исследований в области графена – это вложения в фундаментальную науку. Сегодня эти исследования перешли в стадию прикладных инновационных разработок, и наши графеновые биосенсоры - отличное тому подтверждение. В перспективе это не просто новый продукт на рынке, а вклад в развитие российской фармацевтики в части разработки новых лекарственных средств и создания высокотехнологичного медицинского оборудования. Пока наши разработки финансируются только Министерством образования и науки РФ, но мы уверены, что достигнутые успехи позволят привлечь дополнительное внешнее финансирование» - говорит Алексей Арсенин, соавтор разработки.
Авторы продолжают работу над совершенствованием своей разработки и ожидают, что для определенных реакций биосенсорные чипы на основе новых углеродных материалов обеспечат чувствительность в десятки и сотни раз большую, чем существующие коммерческие аналоги. Также они рассматривают возможность коммерциализации графеновых чипов. Только в 2014 году на доклинические исследования было потрачено около 10 млрд. долларов США. По оценкам суммарный годовой рынок биосенсорных чипов составляет около 300 млн. долларов США. Отличные характеристики графеновых биосенсорных чипов позволяют рассчитывать на серьезную конкуренцию с существующими типами чипов - вплоть до одной трети всего рынка.
