Команда исследователей из Университета ИТМО, при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и активном участии Глеба Симоненко, представила новый микрофлюидный сенсор для высокоточного анализа активных форм кислорода в биологических жидкостях. Эта разработка обещает революционизировать подход к ранней диагностике процессов старения и определению риска развития целого спектра возрастных заболеваний, включая патологии сердечно-сосудистой системы и мозга.
Почему важно выявлять активные формы кислорода?
Современные исследования подтверждают: накопление активных форм кислорода в организме играет ключевую роль в запуске механизмов старения и формировании хронических заболеваний. Такие молекулы образуются под воздействием вредных факторов: курения, алкоголя, ухудшения экологии, а также хронических воспалительных процессов и стресса. Они способны повреждать клеточные структуры, белки и ДНК, повышая вероятность развития злокачественных образований и нарушений работы мозга или сердца с возрастом.
Для медицинского специалиста крайне важно своевременно определить, на каком этапе накопления этих активных частиц находится организм пациента. Такая диагностика дает возможность скорректировать образ жизни, подобрать лечение и значительно повысить качество и продолжительность жизни.
Недостатки традиционных методов анализа
Наиболее распространённая сегодня методика основана на измерении свечения люминола — вещества, которое вступает в реакцию с активными формами кислорода. Несмотря на простоту, анализ с помощью люминола имеет ряд существенных ограничений: слабое свечение реактива, большие затраты на биоматериал (в отдельных случаях требуется дефицитная спинномозговая жидкость), а также ручное дозирование реагентов и длительное перемешивание. Всё это влияет на точность результатов и увеличивает время диагностики.
В условиях высокого спроса на оперативные и точные методы исследователи стремились создать инструмент, способный измерять концентрацию активных форм кислорода буквально по микрокапле крови и предоставлять результат за считанные секунды.
Микрофлюидная технология: миниатюрный сенсор нового поколения
Инженеры-исследователи Университета ИТМО совместно с коллегами из Санкт-Петербургского академического университета имени Ж.И. Алферова РАН и Института аналитического приборостроения РАН разработали миниатюрный чип, в основе которого — система микроканалов сложной формы. Каждый канал оснащён специальными рельефными участками, где в ускоренном темпе смешиваются реагенты для выявления активных форм кислорода.
Перед производством устройство было виртуально смоделировано в специализированной программе для математического описания физических процессов. Это позволило команде выбрать и воплотить наиболее результативную геометрию каналов.
Ключевые преимущества микроканального сенсора
Люминол и исследуемый образец вводятся в разные параллельные микроканалы, где мгновенно перемешиваются благодаря канавкам особого дизайна. После этого смесь поступает в зону мгновенной регистрации свечения. Вся химическая реакция занимает лишь доли секунды, а рабочий объём сенсора настолько мал, что анализа достаточно буквально одной капли крови.
По результатам серии тестов, новая система позволила повысить точность определения уровня активных форм кислорода в полтора-два раза по сравнению с классическими методиками. Причём устройство не только ускоряет процесс, но и исключает человеческий фактор при дозировании реагентов и смешивании, что кардинально улучшает воспроизводимость эксперимента.
Возможности для науки, медицины и фармацевтики
Одна из уникальных особенностей микроканального сенсора — возможность наблюдать ход химической реакции в режиме реального времени. Благодаря этому открываются перспективы для изучения сложных биохимических взаимодействий, что чрезвычайно востребовано в разработке новых лекарственных препаратов и в фундаментальных научных исследованиях.
Ценность устройства для медицины очевидна: оно может использоваться для быстрого экспресс-анализа состояний, связанных с окислительным стрессом, как непосредственно в клиниках, так и на профилактических осмотрах. Кроме того, система способна помочь контролировать эффективность терапии онкологических заболеваний или отслеживать динамику восстановления пациентов после острых состояний, давая свежую объективную информацию врачу уже на ранних этапах терапии.
Комментарии и перспективы развития технологии
Глеб Симоненко, инженер-исследователь Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО, очень позитивно оценивает потенциал открытия: «Новое устройство закладывает основания для целого ряда аналитических инструментов завтрашнего дня, особенно в сфере биомедицинских исследований и персонализированной медицины. Мы уверены, что совершенствование системы управления потоками в микроканалах позволит не только уточнять анализ, но и проводить еще более сложные и точные исследования динамики химических процессов».
Авторы планируют в дальнейшем развивать технологию, делая её более гибкой, адаптивной и доступной для разных задач биомедицины. Особое внимание будет уделено уменьшению необходимого объёма образца, увеличению автоматизации процессов и внедрению сенсора в лабораторную и клиническую практику.
Оптимистичный настрой команды учёных и их серьёзная техническая база позволяют ожидать, что сенсор Университета ИТМО уже в ближайшие годы станет востребованным инструментом как для мониторинга здоровья, так и для фундаментальных исследований старения и развития болезней.
