Пластырь с микроиглами для малоинвазивного анализа биомаркеров

Ученые из США разработали пластырь с микроиглами для количественного анализа биомаркеров в тканевой жидкости. Технология включает избирательный захват вещества и оценку его количества с помощью модифицированного иммунофлуоресцентного анализа.

Credit:

Интерстициальная жидкость (ISF), она же межклеточная, или тканевая, особенно богата биомаркерами по сравнению с другими периферическими биожидкостями — слюной, потом и слезами. По составу она сходна с плазмой крови. Несмотря на это, анализ ISF крайне мало используется в медицине, так как получение образца трудозатратно и итоговый его объем мал. В последнее время все больше внимания уделяется технологии микроигл. Нанесение распознающих и захватывающих элементов (например, антител) на поверхность игл позволяет избирательно захватывать анализируемые вещества из ISF. Однако их количества обычно все еще слишком малы для анализа с помощью традиционных методов. Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе оптимизировали технологию таким образом, что это сделало возможным практическое применение пластыря с микроиглами в качестве инструмента диагностики.

Пластырь несет на себе конические микроиглы длиной около 600 нм. Иглы и часть пластыря, обращенная к коже, выполнены из полистирола путем отливки в силиконовой форме. Внешняя сторона сделана из смеси полистирола и частиц Fe3O4, магнитные свойства которого позволяют фиксировать пластырь внутри колбы при дальнейшем анализе, что обеспечивает высокую скорость и воспроизводимость обработки образцов.

Иглы покрывают антителами, специфичными к интересующему биомаркеру. При этом гидрофобные свойства полистирола способствуют фиксации антител на поверхности игл. Чтобы проверить, насколько успешно антитела связываются с иглами, их покрыли биотинилированными антимышиными IgG с последующей блокировкой бычьим сывороточным альбумином (BSA), а затем инкубировали с флуоресцентно помеченным стрептавидином и получили сильный и равномерный сигнал. Обработка немеченым стрептавидином приводила к крайне слабому флуоресцентному сигналу, что говорит об отсутствии существенной аутофлуоресценции полистирола.

Поскольку микроиглы извлекают крайне малые количества целевого вещества, обычные методы иммунофлуоресцентного анализа не позволяют получить сигнал достаточной силы. Для преодоления этой проблемы ученые использовали вместо обычного флуорофора плазмонный флуор, состоящий из золотого наностержня, покрытого флуорофорами и универсальным биологическим распознающим элементом (например, биотином). В качестве структурного элемента применялся BSA. Электромагнитные свойства наностержня позволяют ему функционировать в качестве «линзы» или «антенны», усиливая свечение флурофоров в 1400 раз. В остальном протокол соответствует классическому имуннофлуоресцентному анализу.

Тесты на мышиных моделях и культурах клеток показали отсутствие какого-либо токсического эффекта от контакта с пластырем, а проколы от микроигл затягивались в течение 15 минут.

Пластырь успешно определял концентрации антител к кокаину у привитых мышей (антикокаиновые вакцины, пока еще не внедренные в клинику, снижают скорость попадания наркотического вещества в мозг, но требуют регулярной ревакцинации, чтобы концентрация антител оставалась высокой; в этом случае на иглы наносили молекулы кокаина). В других тестах на мышиных моделях определяли концентрации цитокинов у животных с искусственно вызванным системным воспалением и концентрации эндогенных протеинов в надкостнице. Количественные показатели, полученные с помощью новой системы, хорошо коррелировали с показателями, полученными классическими методами анализа.

Стоит отметить, что концентрации большинства веществ в ISF значительно меньше, чем, например, в крови, а результаты, полученные при помещении пластыря на разные участки тела одного и того же животного (например, на спину или брюхо), различались. Последнее, вероятно, связано с различием в толщине кожи. Оба этих факта необходимо учитывать при разработке методологии анализа в клинических условиях и сравнении результатов тестов.

В целом авторы исследования считают, что им удалось разработать тестовую систему, которая позволяет малоинвазивно и эффективно анализировать уровни различных биомаркеров. По их оценкам, технология может найти применение во многих областях медицины, особенно при проведении тестов, которые требуют частого забора крови. Авторы разработки отмечают, что содержание многих биомаркеров в ISF недостаточно изучено, как само по себе, так и в корреляции с содержанием в крови. Новый инструмент поможет заполнить этот пробел.

Источник

Zheyu Wang et al. // Microneedle patch for the ultrasensitive quantification of protein biomarkers in interstitial fluid // Nature Biomedical Engineering, 5, 64–76 (2021), published 22 January 2021, DOI: 10.1038/s41551-020-00672-y

Добавить в избранное

Вам будет интересно