Новый гаджет для биомедицинской диагностики и мониторинга состояния окружающей среды разрабатывается в Зеленограде

Три научных коллектива МИЭТа получили гранты Российского научного фонда (РНФ) в рамках конкурса «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами». В вузе подробно рассказали о первом из этих проектов.

Научная группа Института перспективных материалов и технологий (ПМТ) под руководством старшего научного сотрудника Анны Бондаренко победила с проектом «Самоочищающаяся плазмонная наноструктурированная ГКР-активная платформа для анализа биологических жидкостей с содержанием молекул в субмолярных концентрациях». Работа будет выполняться совместно с Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники (БГУИР).

Разрабатываемая сенсорная платформа будет нужна для анализа различных жидкостей, например, физиологических растворов или сточных вод, с целью детектирования биомаркеров заболеваний, токсичных веществ и т.п. При этом уникальность разработки заключается в том, что она позволит в течение нескольких минут обнаружить целевые химические соединения в предельно низкой концентрации вплоть до единичных молекул, что практически невозможно в случае применения доступных на настоящий момент техник молекулярного анализа.

– Мы занимаемся этим проектом совместно с коллегами из белорусского университета, – рассказывает старший преподаватель Института перспективных материалов и технологий (ПМТ) Сергей Дубков. – Они создают наноструктурированные подложки на основе металлизированного пористого кремния, демонстрирующие активность в спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света, то есть заготовку под будущую сенсорную платформу, а мы модифицируем их путем осаждения тонких диэлектрических слоев и плазмонных наночастиц.

В мире ГКР-активные подложки новшеством не являются, но минус всех существующих аналогов – дороговизна и низкая эффективность. Подавляющее большинство подложек такого типа не могут быть использованы несколько раз, а стоимость одной достигает 2000 – 10 000 рублей. Замечательным преимуществом сенсорной платформы, предложенной коллективом из МИЭТ и БГУИР, является возможность ее самоочищения: ГКР-активную область будет достаточно выдержать в течение пары минут под светом ультрафиолетовой лампы, и она будет готова для проведения нового анализа.

Согласно анализу современного состояния исследований в области ГКР-активных подложек, можно ожидать их внедрения в клиническую практику в течение 5-7 лет. К настоящему моменту уже продемонстрированы возможности их использования таких наноструктур для анализа органических и биоорганических объектов, важных для решения задач медицинской диагностики и терапии, санитарно-эпидемиологического контроля и других областей жизнедеятельности человека.

Например, медики могут использовать ГКР-спектроскопию в качестве дополнительного метода анализа, позволяющего на ранней стадии выявить у пациента опасное заболевание или зарождающиеся дефекты тканей. В частности, известно, что при избыточном употреблении продуктов животного происхождения, в крови человека увеличивается уровень такого вещества, как триметиламиноксид (ТМАО), которое повышает риск развития атеросклероза. Новая разработка позволит «увидеть» молекулы ТМАО в критических концентрациях, уже представляющих угрозу для организма, но к которым нечувствительны другие методы анализа. Это поможет назначить пациенту превентивное лечение до того, как его болезнь начнет прогрессировать, а в дальнейшем персонализировать терапию, предельно точно контролируя содержание этого маркера в крови.

Руководитель проекта, старший научный сотрудник Института ПМТ Анна Бондаренко:

– ГКР-активные подложки будут интересны и с точки зрения мониторинга санитарно-эпидемиологического состояния окружающей среды, включая состав водопроводных и сточных вод. В качестве одного из интересных примеров можно привести необходимость контроля содержания молекул лизиноприла в воде, которую мы употребляем каждый день. Этот препарат очень часто используется для снижения давления у многих людей и характеризуется тем, что выводится из организма в неизменном состоянии, попадая в канализацию, вода из которой после многих этапов очистки может оказаться у нас на столе. Установлено, что молекулы лизиноприла практически невозможно разрушить и, следовательно, полностью дезактивировать. В связи с этим его следовые количества обнаруживаются и в питьевой воде. Отрицательной стороной этого лекарства является то, что его регулярное употребление даже в малых концентрациях приводит к серьезным изменениям гормонального фона. Поэтому крайне важно иметь возможность быстрого детектирования лизиноприла, которую и открывает применение ГКР-активных подложек.

Проект выполняется за счет гранта Российского научного фонда и планируется к завершению в 2023 году.