Сепсис ежегодно уносит примерно шесть миллионов жизней во всем мире. В последние годы он также часто становится осложнением при COVID-19. Для эффективного и своевременного лечения сепсиса его лучше диагностировать на ранних этапах — с помощью быстрых и чувствительных детекторов. Их разработкой и займется совместная исследовательская группа Университета ИТМО и Итальянского института нанотехнологий (CNR-Nanotec), которая осенью 2021 года выиграла грант Министерства науки и высшего образования РФ и МИД Италии.

Сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Дмитрий Зуев в лаборатории Нового физтеха. Фото: Лилия Кичигина / Новый физтех

Почему эта разработка важна

Сепсис — это инфекционное заражение крови. Оно поддается лечению на ранних стадиях, поэтому своевременная и высокоточная диагностика помогает предотвратить большинство смертельных случаев. Цель международного проекта, получившего грант, — разработка быстрого и точного оптического сенсора на основе хиральных плазмонных наноструктур для детектирования биомаркеров сепсиса, циркулирующих в крови на ранней стадии заболевания.

«Современная наука строится на взаимодействии исследовательских групп, специализирующихся в различных направлениях. Такая кооперация позволяет решать действительно серьезные проблемы, стоящие перед человечеством, в максимально короткие сроки. Поэтому сотрудничество научной группы Университета ИТМО с группой доктора Витторианны Таско очевидно. Ведь оно позволяет сформировать коллектив, который обладает компетенциями в областях разработки и сборки нанообъектов, оптики и биологии и может решать сложные междисциплинарные задачи на стыке этих наук», — рассказывает руководитель проекта со стороны ИТМО, старший научный сотрудник Нового физтеха Дмитрий Зуев.

Из чего состоит детектор

Лабораторный образец сенсора будет построен на основе хиральных наноструктур — асимметричных систем, чьи зеркальные отражения не идентичны самим объектам. Например, как наши ладони.

Одни из самых популярных хиральных наноструктур — хеликсы, по форме напоминающие винты наподобие спиралевидных молекул ДНК и РНК. Варьируя диаметр петель нанохеликса, их количество и расстояние между ними, можно настраивать оптический отклик всей структуры с высокой точностью. Нанофотонные сенсоры на основе таких систем способны выявлять различные соединения в сильно разбавленных растворах.

За счет применения хиральных наноструктур в сенсоре ученые желают достичь специфичного и ультрачувствительного детектирования различных биомаркеров. Примеры уже есть: так, в совместной работе итальянских коллег и исследователей ИТМО был разработан хиральный сенсор для обнаружения TAR ДНК-связывающего белка 43, потенциального биомаркера нейродегенеративных заболеваний. Устройство оказалось способно распознавать концентрации белка вплоть до фемтомолей (100 млн молекул в литре).

«Круговой дихроизм проявляется, если хиральные наноструктуры взаимодействуют с право- или левосторонним циркулярно поляризованным светом. Когда хиральные структуры погружают в раствор, их оптические свойства (это и есть круговой дихроизм) меняются в зависимости от концентрации определяемого вещества. Более того, мы можем детектировать биомолекулы не только в их индивидуальных растворах, но и в сложных биологических жидкостях организма», — объясняет руководитель проекта со стороны Итальянского института нанотехнологий (CNR-Nanotec), доктор Витторианна Таско.

Что сделают ученые

Сейчас итальянские коллеги занимаются производством сенсоров на основе хиральных наноструктур, в то время как российские ученые больше специализируются на тестировании оптических характеристик устройства.

По плану гранта лабораторный образец сенсора научная группа должна представить к концу 2023 года. Это подразумевает не только его создание, но и исследование на эксплуатационную стабильность и испытания на точность и селективность.

«Мы начали сотрудничать с учеными Университета ИТМО несколько лет назад — со взаимных визитов друг к другу. Так, в 2019 году я провела один месяц в прекрасном городе Санкт-Петербурге в Университете ИТМО и нашла его очень вдохновляющим. Группа доктора Зуева помогла нам понять оптические свойства наноструктур, которые мы производим в своей лаборатории. Это поможет нам в инжиниринге метаматериалов и поиске их применения в биосенсорике», — рассказывает Витторианна Таско.

Евгений Шилинг

Журналист