Optické biosenzory ve výzkumu i medicíně

Vývoj optických biosenzorů není možný bez spolupráce vědeckých oborů od fotoniky po biologii. Podrobněji o nich mluví Jiří Homola, který tento program vede.

„Optické biosenzory s povrchovými plazmony“ – to zní pro laika téměř magicky. Jak si je máme představit? — Tyto senzory, detekující biomolekuly (ale třeba i větší objekty, jako jsou buňky), fungují na principu měření změn indexu lomu vyvolaných záchytem biomolekul na povrchu senzoru. Povrchové plazmony jsou, zjednodušeně řečeno, speciální elektromagnetické vlny šířící se na rozhraní kovu a dielektrika, které umožňují soustředit elektromagnetické pole do extrémně malých oblastí srovnatelných s velikostí biomolekul. Zachycení „správné“ biomolekuly zajišťují tzv. funkční vrstvy obsahující speciální molekuly (receptory), které jsou schopné detekovanou látku (analyt) rozpoznat a zachytit. A to i v prostředích, která obsahují velké množství dalších molekul v koncentracích výrazně převyšujících koncentraci analytu. Výhodou těchto biosenzorů je, že nepotřebují, aby detekované molekuly vykazovaly nějaké speciální vlastnosti (např. fluorescenci, specifické absorpční či rozptylové vlastnosti).

Jak jste se k tématu optických biosenzorů dostali? — Počátkem devadesátých let minulého století, kdy optické biosenzory získávaly ve světě na popularitě, jsme využili našich zkušeností z optických měřicích metod a vlnovodné optiky a začali jsme se této problematice věnovat. Do týmu se postupně zapojili odborníci z různých oborů od chemie přes biologii po medicínu, abychom pokryli všechny důležité aspekty výzkumu včetně potenciálních aplikací. Tento multidisciplinární přístup, kterého se držíme dodnes, byl svou šíří neobvyklý nejen v České republice, ale i v zahraničí. Významnými partnery v této spolupráci jsou Ústav makromolekulární chemie AV ČR a Ústav hematologie a krevní transfuze.

Jaké výzkumné otázky řešíte? — Zabýváme se výzkumem optických struktur a nanostruktur, vývojem optických měřicích systémů, mikrofluidních zařízení a funkčních vrstev. Věnujeme se i vývoji konkrétních postupů pro biosenzorickou detekci biologických a chemických látek v extrémně nízkých koncentracích a komplexních biologických vzorcích. Důležitým cílem je optimální rozložení elektromagnetického pole povrchového plazmonu s ohledem na charakteristické rozměry detekovaných biomolekul. Biosenzory lze díky tomu uzpůsobit pro detekci různých biologických látek a dosáhnout vysoké citlivosti. Pro detekci velkých objektů, jako jsou třeba bakterie, jsou to tzv. povrchové plazmony s dalekým dosahem buzené na velmi tenkých kovových vrstvách; naopak pro detekci malých molekul jsou vhodnější lokalizované povrchové plazmony buzené na speciálních kovových nanostrukturách.

Laboratorní optický biosenzor vyvinutý v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR.

Kde se takové biosenzory v praxi uplatňují? — Námi vyvinuté laboratorní systémy využívá řada výzkumných pracovišť v ČR i v zahraničí ve výzkumu biomolekul a jejich interakcí. Uplatnit se mohou i ve výzkumu a diagnostice nemocí, při monitorování životního prostředí nebo kontrole bezpečnosti potravin. Věnovali jsme se i miniaturizaci pro potenciální využití v terénu. Zúročili jsme zkušenosti z výzkumu plazmonických biosenzorů založených na difraktivních strukturách, které vedly ke vzniku nových kompaktních biosenzorů pro detekci patogenů v mléce (projekt EU Pathomilk) či biomarkerů rakoviny tlustého střeva (projekt EU Ultraplacad).

Zmínil jste výzkum a diagnostiku nemocí. Kterých – kromě už zmíněných karcinomů tlustého střeva? — Například myelodysplastického syndromu (MDS), který často přechází do akutní myeloidní leukémie. Vyvinuli jsme extrémně citlivou analytickou metodu, kterou jsme ve spolupráci s ÚHKT úspěšně použili pro detekci potenciálních biomarkerů MDS. Na rozdíl od standardní metody založené na PCR odhalí přítomnost charakteristických mikroRNA¹⁾ přímo ve vzorku krevní plazmy bez složitých přípravných kroků. Místo standardního přístupu, kdy se zachycená mikroRNA dále zviditelňuje pomocí zlatých nanočástic, jsme použili obrácený postup – tyto nanočástice jsme kontrolovaně uvolňovali. Potlačili jsme tak efekt vnitřních nespecifických interakcí s biomolekulami obsaženými v krevní plazmě a dosáhli jsme stonásobně vyšší citlivosti.

Dále jsme se ve spolupráci s NÚDZ a 2. LF UK věnovali výzkumu Alzheimerovy choroby. Studovali jsme mechanismus jejího vzniku, jako první jsme prokázali interakci dvou specifických proteinů a vyvinuli jsme citlivou metodu pro detekci komplexu tau-amyloid b v mozkomíšním moku, což by mohl být nový biomarker pro včasnou diagnostiku této nemoci.

Na co se chcete zaměřit do budoucna? — Rádi bychom dále rozvíjeli výzkum plazmonických biosenzorů pro studium buněk a buněčných procesů. Velkou perspektivu vidíme také v analýze exozomů a molekul v nich obsažených, které mohou sloužit jako biomarkery neurodegenerativních a nádorových onemocnění.