Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали технологию анализа живых клеток для ранней и неинвазивной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний с использованием живых цветов. Это так называемый биомиметический подход для создания сенсорных платформ. О том, как появился этот метод и как он работает, нам рассказала кандидат технических наук Мария Баршутина, доцент, старший научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов НИУ МФТИ.

Анютины глазки или фиалка трёхцветная. Фото: Alejandro Bayer Tamayo, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

— Правда ли, что в своей работе вы используете настоящие цветы?

— Да, мы тестировали лепестки самых разных цветов. Использование природных поверхностей — это общемировой тренд в науке, называемый биомиметикой. Природа на микро- и наноуровне невероятно сложна и превосходит самые смелые инженерные замыслы. Мы, конечно, можем попытаться повторить её творения, но это потребует колоссальных ресурсов, а природа делает это сама и бесплатно.

— И в каком направлении движется эта область?

— Биомиметические структуры находят применение в самых разных сферах — от создания супергидрофобных покрытий до разработки новых материалов. Мы же решили применить этот подход для создания сенсорных платформ для рамановской спектроскопии — метода, который позволяет детально изучить химический состав вещества.

Дело в том, что стандартные подложки плохо подходят для анализа крупных объектов, например, живых клеток. Высокомолекулярные соединения (к которым относятся клетки) плохо контактируют с плазмонными частицами — особыми наночастицами, которые усиливают сигнал. А без тесного контакта анализ неточен.

Наше решение — использовать подложки с «кэвити-структурами» (от англ. cavity — полость, углубление). Эти микроскопические ямки идеально подходят для того чтобы клетка в них «утонула» и плотно сблизилась с плазмонными частицами. Это позволяет проанализировать химический состав её мембраны, который меняется при многих заболеваниях. Например, при первых признаках диабета или болезни Альцгеймера повышается степень окисляемости мембраны эритроцитов. Таким образом, наблюдая за клетками, можно детектировать болезнь на самой ранней стадии.

— У вас это получилось?

— Мы проводили опыты на мышах. Одну группу кормили так, чтобы у них развилось ожирение, а у другой была нормальная диета. И у мышей с ожирением уровень окисляемости мембран эритроцитов был значительно выше. Именно тогда мы и задумались: а где взять идеальные носители для этих кэвити-структур? Так пришла идея использовать цветы.

Микроструктура поверхности лепестков розы, ромашки и анютиных глазок (оптическая и электронная микроскопия). Иллюстрация: пресс-служба МФТИ.

— И первым кандидатом стала роза?

— Да, мы начали с роз. Но не с самих лепестков, а с их слепков. Мы берем лепесток, заливаем его жидким силиконом, он застывает — и мы получаем точную негативную реплику, обратную копию всей микроструктуры.

— Зачем нужны слепки? Почему нельзя использовать сам цветок?

— Живой лепесток недолговечен: он вянет, гниёт. Нам же нужен стабильный материал. К тому же для работы метода подложку нужно покрыть слоем золота (это необходимо для создания тех самых плазмонных частиц, которые усиливают сигнал при спектроскопии). Напылить золото на живой лепесток технически невозможно — он просто разрушится, а полимерный слепок сохраняет структуру вечно.

— И в чём же преимущество именно структуры лепестка?

— Посмотрите на фотографию поверхности лепестка розы под микроскопом: вы увидите уникальный рельеф из бугорков и гребней. Когда мы делаем слепок, эти бугорки превращаются в микроскопические ямки. Когда клетка попадает в такую ямку, площадь её контакта с поверхностью резко возрастает. Это обеспечивает мощный SERS-эффект (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy — поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия). Проще говоря, сигнал от клетки усиливается в миллионы раз, и мы можем рассмотреть её химический состав в деталях.

— Почему вы выбрали именно розу? Потому что она такая красивая?

— Нет, мы подошли к делу системно. Структура лепестков розы хорошо изучена, известна её гидрофобность. Мы начали с неё как с классического примера. Но затем мы разработали технологию, которая позволяет предсказать эффективность поверхности, даже не проводя сложных биологических экспериментов. Достаточно сделать СЭМ-фотографию (снимок с помощью сканирующего электронного микроскопа), которая показывает поверхность на микро- и наноуровне. Мы анализируем топографию и математически вычисляем, насколько хорошо та или иная структура будет удерживать клетки. Так, в нашей последней работе мы сравнили розы, ромашки и анютины глазки. При этом анютины глазки показали наилучший результат.

— Значит, роза «проиграла»?

— Не совсем. Выяснилось, что для каждого типа клеток нужна своя, идеально подходящая поверхность. Эритроциты имеют размер около 7-8 микрометров, и для них лучшей оказалась структура анютиных глазок. У них не только подходящая шероховатость на наноуровне, но и выемки на микроуровне, которые повторяют контур эритроцитов, обеспечивая максимальную адгезию (прилипание) и тот самый SERS-эффект. Если мы будем работать с другими, более крупными клетками, то, возможно, лучшей окажется ромашка или какое-то другое растение. Так что мы создаём индивидуальную подложку под каждую диагностическую задачу.

Cотрудники Центра фотоники МФТИ. Фото пресс-служба МФТИ.

— Какие ещё применения у этой технологии вы видите, кроме анализа крови?

— Эта платформа универсальна. Она позволяет предсказывать, например, антибактериальные свойства поверхности — где бактерии будут хуже образовывать плёнки. Перспективное направление — работа со стволовыми клетками. Это одна из наших следующих целей.

— Как вы представляете себе практическое применение этого метода в клиниках?

— Подложки на основе анютиных глазок уже сегодня оптимальны для анализа эритроцитов. А состояние эритроцитов — это индикатор общего здоровья человека. По ним можно выявить гипертонию, рак крови и многие другие социально значимые заболевания на ранней, часто досимптомной стадии. Портативные рамановские спектрометры уже существуют. Если оснастить поликлиники нашими одноразовыми подложками, диагностика станет быстрой и простой: на подложку помещается капля крови, она кладется в прибор, который выдаёт спектр. Если подключить к системе искусственный интеллект, то он мгновенно проанализирует данные, найдёт отклонения (например, тот же пик окисляемости) и выдаст заключение о риске развития диабета, болезни Альцгеймера и так далее.

— Как вам кажется, каждому цветку можно найти такое биомиметическое применение?

— Я бы не сказала, что для каждого цветка есть своя клетка-«пара», но для каждого типа клеток можно подобрать оптимальную биомиметическую подложку с помощью нашего метода.