Из-за курения, употребления алкоголя, загрязненного воздуха, хронических заболеваний и других причин в организме человека накапливаются активные формы кислорода. В избыточном количестве эти частицы повреждают белки и ДНК, вызывая окислительный стресс — состояние, которое ускоряет старение и повышает риск развития онкологических заболеваний, а также возрастных болезней головного мозга, сердца и сосудов. Поэтому для ранней диагностики таких состояний врачи оценивают именно уровень активных форм кислорода в организме.
Для этого измеряют свечение, которое возникает при взаимодействии активных форм кислорода, накапливающихся в крови или тканях, со светящимся веществом люминолом. Это простой метод, но обычно люминол светится довольно тускло. Поэтому приходится использовать большие количества реактива и иногда труднодоступного биологического образца, например, спинномозговой жидкости. Кроме того, в традиционных методах исследователи вручную дозируют реактивы, а их взаимодействие происходит за счет медленного внутреннего перемешивания. Это значительно увеличивает время эксперимента и снижает точность измерений. Поэтому ученые стремятся разработать новые способы анализа радикалов.
Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского академического университета имени Ж.И. Алферова РАН (Санкт-Петербург) и Института аналитического приборостроения РАН (Санкт-Петербург) разработали микрофлюидный чип — миниатюрное устройство, где люминол и раствор с активными формами кислорода проходят через микроканалы со специальным рельефом, дробящим и ускоренно смешивающим жидкости. Эту систему авторы предварительно смоделировали в COMSOL — программе для математического моделирования физических процессов, что позволило рассчитать и затем воссоздать наиболее эффективную форму каналов.
Свечение смеси люминола и хлорита натрия на микрофлюидном чипе. Источник: Глеб Симоненко
Люминол и раствор с активными формами кислорода поступают в параллельные микроканалы, затем смешиваются в специальных канавках и сразу попадают в зону, где датчик оценивает свечение. Вся реакция происходит за доли секунды в объеме меньше капли воды.
Численное моделирование каналов (a, b) и экспериментальное исследование (c, d) на микрофлюидном устройстве. Источник: Глеб Симоненко
Предложенное устройство позволило измерить уровень активных форм кислорода в экспериментальной смеси в 1,5–2 раза точнее классического метода, в котором погрешности возникают из-за длительности анализа и неоднородного смешивания реагентов. Более того, микрофлюидная система дает возможность в режиме реального времени отслеживать протекание реакции, а значит, исследователи смогут изучать механизмы взаимодействия веществ, что очень важно как для фундаментальных химических исследований, так и для фармацевтики.
«Предложенное нами устройство прокладывает путь к созданию нового поколения аналитических инструментов для разнообразных биомедицинских задач, например, для проведения экспресс-анализов у пациентов по капле крови и оценки эффективности терапии онкологических заболеваний. В дальнейшем мы планируем совершенствовать режимы управления потоками в микроканалах, что позволит более детально анализировать динамику протекающих процессов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Глеб Симоненко, инженер-исследователь Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
