Колектив вчених з Ізраїлю та Швейцарії створив комбінований імунохімічний метод виявлення білків, що дозволив на три порядку (в 1000 разів) знизити мінімальний поріг визначених концентрацій порівняно з традиційними системами такого класу. Такого результату вдалося домогтися завдяки ізотахофоретичному фокусуванню визначеної речовини в мікрофлюїдному каналі з пришитими до стінки антитілами. Стаття, що описує нове дослідження, вийшла в травні 2017 року і потрапила на обкладинку липневого номера.
Визначення наявності і концентрацій білків є одним з ключових етапів багатьох методів діагностики, а також фундаментальних досліджень у медицині та біології. Однак у білків є істотна і неприємна відмінність порівняно з іншими досліджуваними речовинами, наприклад нуклеїновими кислотами (ДНК і РНК): білки практично неможливо ампліфікувати, тобто швидко і селективно синтезувати безліч їх копій, щоб збільшити концентрацію і спростити їх виявлення. Навіть якщо вдається створити каскад антитіл, який в кінцевому підсумку ефективно збільшить концентрацію визначеної речовини, швидкість такого процесу все одно буде визначатися вихідним вмістом білка. З цих причин весь час відбувається пошук нових, більш ефективних методів швидкого фокусування.
Автори нового дослідження запропонували ефективну комбінацію декількох добре вивчених аналітичних підходів: ізотахофореза, мікрофлюїдики та імунохімічного аналізу. Перший метод є різновидом електрофорезу, тобто заснований на русі заряджених частинок (а всі білки так чи інакше заряджені) в електричному полі. Ізотахофорез відрізняється від аналогів тим, що в ньому досліджувану речовину поміщають в один канал з ведучим і замикаючим електролітами. Перший рухається в полі завідомо швидше визначеної речовини, а другий - завідомо повільніше. За рахунок цього фактично електричне поле в каналі розподіляється сходинками - в зоні провідного електроліту воно менше, а в зоні замикаючого - воно більше, тому досліджувана речовина змушена фокусуватися на кордоні цих двох зон.
Крім власне фокусування ізотахофорез одночасно дозволяє переміщати досліджувану речовину в потрібну частину каналу, і тут в хід йде другий метод з комбінації: імуннохімічний аналіз. Автори модифікували невелику область каналу антитілами, специфічними до вивчення білка (для цього дослідження автори вибрали зелений флуоресцентний білок, GFP). У традиційних методах досліджувану речовину в загальному потоці пропускають над такою модифікованою зоною, і частина розчиненого білка взаємодіє зі специфічними до нього антитілами, так відбувається перший етап детектування. Новий підхід дозволив додатково сфокусувати суспензію над пришитими антитілами, таким чином збільшивши «шанс» білка зв'язатися з антитілом і збільшити чутливість всього методу.
Вчені використовували кілька варіацій своєї системи. У найпростішому випадку сфокусованій «хмарі» білка давали «проплисти» над антитілами без зупинки. Цей підхід виявився найменш ефективним. На наступній ітерації автори вимикали електричне поле, коли досліджувана речовина опинялася рівно над модифікованою областю каналу (для цього за суспензій білка стежили за допомогою флуоресцентного мікроскопа). У цьому випадку вдалося в 1000 разів знизити поріг визначеної концентрації порівняно з традиційною, несфокусованою системою, проте спостерігалися і мінуси: з вимкненим полем хмара білка досить швидко розмивалася внаслідок дифузії, що знову знижувало чутливість системи.
Нарешті, автори запропонували третій, найбільш просунутий підхід: як тільки сфокусована хмара білка досягала пришитих антитіл, вчені включали додатковий насос, що штовхав рідину в протилежну електричному полю сторону. Таким чином вдавалося одночасно зберігати суспензію сфокусованою і утримувати її рівно над антитілами. У цьому випадку збільшення чутливості могло досягати чотирьох порядків (10000 разів) порівняно зі звичайною системою, в якій досліджуваний розчин без фокусування прокачується над пришитими антитілами.
Автори зазначають, що однією з головних переваг нового методу, крім чутливості, є відносна простота і дешевизна, оскільки ізотахофорез не передбачає використання будь-якого складного і високо специфічного обладнання. Однак залишається відкритим питання правильного підбору електролітів (ведучого і замикаючого) і більш чутливого детектування білків, що зв'язалися. Тут автори пропонують використовувати дозволену за часом флуоресцентну спектроскопію або інші методи біофотоніки, наприклад, FRET - ферстовське резонансне перенесення енергії. Цей метод дозволяє з дуже високою точністю детектувати, на якій відстані один від одного знаходяться два флуорофори - речовини або фрагмента фіщі, що володіє флуоресцентними властивостями.
Мікрофлюїдні методи, що використовують ті чи інші механізми руху рідин в тонких каналах, все частіше стають базою для нових аналітичних систем. Наприклад, за допомогою мікрофлюїдного чіпа вдалося розгледіти в реальному часі злиття яйцеклітини і сперматозоїда. Метою мікрофлюїдики часто називають створення так званих «лабораторій-на-чіпі» - мініатюрних пристроїв, що дозволяють проводити серії складних аналізів завдяки складній системі мікроканалів, розташування яких трохи нагадує мережу мідних доріжок на електронному чіпі. Зараз найчастіше мікрофлюїдні чіпи спеціалізуються на якійсь одній операції, наприклад, можуть безконтактно відокремити ракові клітини від здорових.