Графенът – ключ към създаването на бързи и надеждни тестове за наличие на вируси и бактерии

Проучване на Луиджи Окипинти и негови колеги от направлението за изследване на графена от университета в Кеймбридж е на път да разкрие ново приложение на материала графен при създаване на диагностични тестове за наличие на вируси (като този за откриване на коронавирус), бактерии и дори тумори.

Приложение на графена до момента

Графенът представлява слой въглерод с дебелина само един атом. Той е открит едва през 2004 г., но бързо се доказва като отлично средство за подсилване якостта на материалите, увеличаване скоростта на работа на електронните устройства и удължаване живота на батериите.

Алотропът има голям потенциал в разработването на биосензори. Устройствата се използват, за да открият съвсем ниски концентрации от определени биомаркери в биологични проби от кръв или слюнка. Биомаркерите са молекули, които насочват вниманието на лекарите към определена болест.

Проучванията са все още на много ранен етап. Технологията тепърва предстои да премине клинични изпитания, а производственият процес да бъде разработен и одобрен. Въпреки това в рамките на следващите пет години графенът би могъл да намери приложение в иновативни технологии в областта на здравеопазването.

Слой от един атом

Заради двуизмерното си свойство, материалът има изключително добро съотношение между лице и обем, което му придава голяма чувствителност към промените в заобикалящата среда. Представете си огромно и спокойно езеро. Всяко мъничко камъче, което хвърлите в него, ще образува все по-големи кръгове по повърхността.

По сходен начин, когато други вещества, дори единични молекули, се докоснат до графена, те предизвикват малки, но все пак количествено измерими електрически импулси.

Тази характеристика на алотропа обаче не е достатъчна, за да се открие коронавирусната молекула в човешкия организъм. Когато графенът се използва като биочувствителен слой в електронните устройства, чувствителността му е колкото на една-единствена молекула. Той не би могъл да направи разлика между коронавирус и грип, също както езерото не прави разлика между хвърленото обикновено камъче и мраморното топче.

Химически модифициран графен разпознава коронавирусната молекула

За да се справят с предизвикателството, учените създават химически модифициран графен, като го покриват с антитела, свързващи се само с коронавирусните молекули. Когато вирусът достигне сензора и се свърже с антителата, той автоматично изпраща електрически сигнал, който преминава през тънкия графенов пласт.

Сравнителен анализ на PCR тест и тест с графен за откриване на коронавирус

SARS-CoV-2 пренася цялата си генетична информация до дадена РНК верига. Познатите ни PCR тестове се базират именно на този процес. PCR изследването „копира“ вирусния участък на РНК от взетата проба, докато количеството е достатъчно голямо, за да се разгледа под микроскоп.
Подобно изследване изисква време, подготовка, скъпа апаратура и много специфични и също скъпи реагенти - вещества, използвани за маркиране и увеличаване броя на вирусната РНК.

Устройството с графен би могло да открие наличие на вируса в самата натривка и в други видове биологични проби. Не са необходими реагенти или процедури, използвани при някои тестове, за да се извлече конкретния биомаркер от взетата проба. Не по-малко важно е, че не се налага маркирането с флуоресцентна боя, характерно при оптичните методи, някои от които се прилагат и при PCR теста.

Резултатите излизат за броени секунди, докато при PCR теста отнемат часове.

Благодарение на уникалните му електрически свойства биосензорите с графен имат потенциала да открият много малки количества от търсения биомаркер, което представлява проблем при другите устройства. Графеновите сензори са способни да открият едно копие на вирусна РНК в 10¹⁸ литра биологична проба. За сравнение, това е като да открием камъче в Средиземно море. PCR тестът от своя страна изисква наличието на около 34 милиарда копия на вируса в 40 мл течност, за да даде резултат.

Сензорите на базата на графен отговарят на изискванията на СЗО за ефективност на устройствата за диагностика на пациенти.

Освен скорост и чувствителност, някои графенови сензори имат още едно безспорно предимство – могат да бъдат разпечатани на лист хартия. То позволява алотропът да бъде включен в анализите със страничен поток - рентабилна технология, която обикновено се използва за диагностика както в лабораторна, така и в домашна среда (тестове за бременност, COVID-19 тестове и т.н.)

Сензорът с графен може да открие опасни бактерии и туморни клетки

Отпечатаните сензори са изградени от графенов оксид, златни наночастици и антитела. Те могат да установят наличие на едва 10 протеина в 1 литър проба. По-специално, технологията дава възможност да се засече протеина CA125 – биомаркер, свързан с рака на гърдата, яйчниците и белите дробове.

Освен да открива вируси, разработеният от учените сензор е чувствителен също на опасни бактерии и туморни клетки. Това означава, че бързо прогресиращи инфекциозни болести като например салмонела, Ешерихия коли и холера могат да бъдат диагностицирани на достатъчно ранен етап, за да се спре развитието им.

В наши дни гореизброените патогени се откриват само чрез PCR метода, използван от тестовете за коронавирус, и някои други методики, при които се броят колонии от бактерии. Броенето отнема много време, изисква голямо количество бактерии и се характеризира с ниска чувствителност. Изпълнението на толкова много условия, за да се отчете надежден резултат, създава трудности, когато наличието дори само на един патоген е достатъчно, за да се разпространи болестта.

Установяване наличие на Ешерихия коли с помощта на сензора с графен

Сензорите с графен не разчитат на броене, поради което дават бързи, но и сигурни резултати. Полевият транзистор с графен може да открие единични клетки на няколко вида Ешерихия коли във вода. Производството му не е тясно специализирано и съответно не би било проблем да се осигурят големи количества, ако е необходимо.

Изследователите създават още един вид графенов сензор, който може да разпознава туморни биомаркери в кръвни проби, спестявайки на много пациенти ненужните инвазивни процедури като биопсията.

Според екипа диагностиката на различни заболявания с помощта на графена има бъдеще. Производството на големи количества сензори с високо качество е напълно възможно, като за целта в момента експерти работят върху подготовката на производствената технология.

Първите иновативни продукти вече са създадени, като проучванията върху материалите са завършени и вече се работи върху изграждащите компоненти на самите устройства.

Експертите са изправени пред няколко основни предизвикателства като спазването на изискванията за здраве и безопасност и провеждането на клинични изпитания. Въпреки това няколко spin-off компании, които работят на принципа на уникално по рода си ноу-хау, вече проявяват интерес да използват графен в своите иновативни проекти. Алотропът има потенциала да се превърне в наистина ключов играч в сферата на медицинските технологии. 

Прочетете още: Инженери създадоха иновативно устройство за измерване нивата на кортизол в потта в реално време