莫斯科物理和技术研究所 超敏感纳米材料
信用:弗拉基米尔契尔卡索夫等人
/ACS Nano 1900年，德国医生保罗·埃尔利希提出了“神奇子弹”的概念
“基本想法是给病人注射能够发现、识别和治疗疾病的智能粒子
从那以后，医学一直在寻找灵丹妙药
俄罗斯物理技术研究所和普罗霍罗夫普通物理研究所的研究人员已经朝着这个目标取得了进展
在MIPT的马克西姆·尼基丁的带领下，该团队在美国化学学会纳米期刊上发表了一篇论文，介绍了一种具有独特性质的智能材料，这种材料有望用于快速DNA分析和下一代抗癌及其他严重疾病的药物
将药物输送到受疾病影响的细胞是诊断和治疗的主要瓶颈
理想情况下，药物应该只到达致病细胞，而不对健康细胞造成任何伤害
有一系列标记化合物可以释放癌细胞
在受影响细胞表面或其微环境中发现的这些信号分子中，有废物和作为信号发送给其他细胞的分子
现代药物依靠一种这样的标记来识别患病细胞
然而，通常情况下，健康细胞携带相同的标记，尽管数量较少
这意味着现有的靶向给药系统并不完善
为了使药物输送更加特异，需要智能材料能够同时分析多个环境参数，以更高的精度寻找目标
首席研究员、MIPT纳米生物技术实验室负责人马克西姆·尼基丁评论道:“传统的给药方法就像是在信封上写着城市和街道，但没有房子和公寓的号码。”
“我们需要能够分析更多参数，以确保有效交付
" 此前，尼基丁和他的合作者开发了能够通过生化反应进行复杂逻辑计算的纳米和微粒
在他们2014年发表在《自然纳米技术》上的论文中，研究人员报告说，他们的自主纳米计算机可以分析目标的许多参数，因此在识别目标方面做得更好
添加互补的脱氧核糖核酸链会激活纳米粒子表面的受体
信用:弗拉基米尔契尔卡索夫等人
过去几年，生物计算材料取得了许多进展
到2018年，已经发表了成百上千篇关于这个主题的论文
该领域最著名的期刊《化学评论》发表了一篇对当代纳米机器人和生物计算的评论
这篇论文的副标题是“纳米机器人的曙光”，作者是MIPT纳米生物技术实验室和俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所生物光子实验室的研究人员
尽管世界各地的许多研究团队努力拓展生物计算材料的功能，但它们对疾病标志物仍然不够敏感，使得实际应用变得不可能
该团队最近在ACS Nano发表的论文标志着这一领域的突破
他们开发了一种独特的智能材料，其特点是对脱氧核糖核酸信号高度敏感
它比最接近的竞争对手要敏感几个数量级
此外，这种新材料显示出比目前绝大多数可用的表达脱氧核糖核酸分析更高的灵敏度
研究人员在发现脱氧核糖核酸分子在纳米粒子表面表现出不寻常的行为后，取得了这一显著的结果
在这项研究中，单链脱氧核糖核酸分子的一端被固定在纳米粒子上
重要的是，该分子没有发夹——也就是说，双链片段的一部分链粘在自己身上
研究小组在脱氧核糖核酸链的另一端安装了一个小分子受体
与预期相反，受体没有结合其目标
排除了一个错误后，科学家们假设单链脱氧核糖核酸可能会粘附在纳米粒子上并盘绕起来，将受体隐藏在粒子表面的下方
当研究小组将互补的单链脱氧核糖核酸添加到他们的粒子中时，这个假设被证明是正确的
受体立即变得活跃，与目标结合
这是因为互补核苷酸之间的键导致两条脱氧核糖核酸链形成刚性双螺旋或双链
就像变色龙的舌头一样，这条线展开，暴露出受体进行目标结合
分子信标和该研究作者开发的智能材料之间的比较
信用:弗拉基米尔契尔卡索夫等人
这种脱氧核糖核酸链的展开类似于分子信标
这是指单链脱氧核糖核酸的一端与另一端形成双链体，折叠结构
一条互补的脱氧核糖核酸链可以打开灯塔
然而，有一个重要而有用的区别
“与分子信标不同，这种发现的现象能够独立于输入的脱氧核糖核酸的拉直力来调节脱氧核糖核酸在纳米颗粒上的卷曲力
这项研究的第一作者、MIPT纳米生物技术实验室的首席研究员弗拉迪米尔·契尔卡索夫指出:“这大大提高了对输入的敏感度。”
在他们的论文中，研究人员展示了能够检测低至每升30毫摩尔(百万分之一摩尔的300亿分之一)的脱氧核糖核酸浓度的试剂，无需脱氧核糖核酸和/或信号放大
该研究的合著者、MIPT纳米生物技术实验室的博士生伊丽莎白塔·莫查洛娃补充道:“我们用一种非常简单的侧向流检测法显示了如此高的灵敏度，这种方法广泛用于妊娠试验
与现有的脱氧核糖核酸检测不同，这种检测可以在干净的实验室环境之外进行，不需要先进的设备
这使得这项技术非常适用于快速传染病筛查、家用食品检测试剂盒以及类似的东西
" 该论文的作者还展示了该技术可应用于智能纳米制剂的设计，这种智能纳米制剂可根据癌细胞微环境中的小脱氧核糖核酸浓度来识别癌细胞
不久前，小核酸还被认为是由大功能分子循环产生的毫无意义的碎片
然而，小核糖核酸被证明是活细胞中许多过程的关键调控者
生物学家目前正在这些核糖核酸中识别疾病标记
“有趣的是，待检测的核酸长度越短，我们的技术就越有竞争力，”尼基丁评论道
“我们可以制造由经过充分研究的17到25个碱基长的小核糖核酸控制的超灵敏试剂
然而，如果我们采用长度小于10个核苷酸的序列，就根本没有灵敏度相当的技术
" 照片
弗拉迪米尔·契尔卡索夫是MIPT纳米生物技术实验室的首席研究员，他为快速脱氧核糖核酸检测准备测试条
荣誉:叶夫根尼·佩莱文/MIPT “更令人兴奋的是，我们的方法能够探测细胞的微环境，以确定较短的小核糖核酸是否是有用的疾病标志物，而不是由于检测困难而被普遍认为是无意义的化合物，”这位科学家补充说
新开发的技术为基因组学提供了前景，无论是在快速护理点DNA分析方面，还是在开发下一代治疗性纳米材料方面
近年来，基因组研究和编辑取得了巨大的突破，但新技术可以解决仍然相关的问题:只向具有特定微环境遗传特征的细胞输送药物
研究人员计划继续开发他们的技术
这包括MIPT最近成立的基因组技术和生物信息学中心的未来工作
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