Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами создали новый класс биомиметических поверхностей для анализа отдельных клеток методом усиленной рамановской спектроскопии (SERS). Разработанные подложки позволят точнее диагностировать болезни на ранней стадии, такие как рак, диабет, болезнь Альцгеймера и другие, без вмешательства в структуру и жизнедеятельность клетки. Результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry B.
Метод SERS — один из наиболее чувствительных инструментов неинвазивного анализа веществ. Он основан на усилении сигнала от молекул, расположенных на особой поверхности, усиливающей сигнал. SERS уже применяется для обнаружения пестицидов и загрязнений, мониторинга окружающей среды и в биомедицинских исследованиях. Однако до сих пор остается нерешенной основная проблема — надежная фиксация клетки без ее повреждения.
«Традиционные подложки не соответствуют форме мембраны клетки. Из-за этого площадь контакта между клеткой и подложкой мала, что снижает качество сигнала,— рассказала первый автор статьи Мария Баршутина, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.— Мы решили обратиться к природным поверхностям, которые за миллионы лет эволюции были оптимизированы для взаимодействия с биологическими объектами».
Ученые использовали мягкую литографию для создания силиконовых реплик лепестков розы, ромашки и анютиных глазок. Затем они нанесли на них многослойную структуру из золота и диоксида кремния (Au/SiO₂/Au). После обжига на поверхности сформировались золотые наночастицы, усиливающие рассеянный сигнал. Для количественной оценки топографии исследователи ввели коэффициент сложности поверхности (α), который характеризует ее способность удерживать клетки.
Выяснилось, что лепестки анютиных глазок обладают иерархической «структурой в структуре» — микровыступами с наношероховатостями — и наибольшим коэффициентом сложности α > 20 среди изученных образцов. Именно эта поверхность обеспечила максимальную площадь контакта клетки с подложкой. В то время как лепестки розы имеют относительно простую топографию с крупными бугорками, что дает умеренное значение коэффициента α. Лепестки ромашки довольно гладкие и обладают низким коэффициентом.
Сканирующие электронные микрофотографии поверхностей, полученных из (a), (d) и (g) розы, (b), (e) и (h) ромашки и (c), (f) и (i) лепестков анютиных глазок при разном увеличении. Источник: журнал Journal of Materials Chemistry B
При тестировании на эритроцитах мышей подложка, изготовленная по шаблону лепестков анютиных глазок, продемонстрировала сигнал в 2–7 раз более интенсивный по сравнению с поверхностями на основе розы и ромашки. Это показывает, что микро- и нанотопография подложки является не менее важным, а возможно и определяющим фактором для эффективности SERS-анализа одиночных клеток.
«Мы переносим не просто структуру, а ее функцию (адгезию), и применяем эту функцию в новой, не предусмотренной природой области, для создания высокоэффективных аналитических поверхностей»,— пояснила Мария Баршутина.
Механизм захвата клеток, управляемый топографией, на биомиметических субстратах. Клетки отмечены красными пунктирными кругами. Источник: журнал Journal of Materials Chemistry B
Авторы отмечают, что полученные биомиметические подложки просты в изготовлении и не требуют сложного оборудования. Они перспективны для использования в биомедицинской диагностике и клеточном анализе, а также для детекции молекулярных соединений в низких концентрациях.
«Мы не остановились на анютиных глазках. Вдохновленная успехом, наша команда уже изучает другие природные структуры. Следующий шаг — не просто копировать, а комбинировать лучшие черты разных поверхностей, создавая гибридные материалы с запрограммированными свойствами»,— поделилась Мария Баршутина.
________________________
Научная статья: Barshutina, M. and Bochkova, Z. and Zavidovskiy, I. and Barshutin, S. and Yakubovsky, D. and Solovei, V. and Baizhumanov, A. and Maksimov, G. and Arsenin, A. and Volkov, V. and Brazhe, N. and Novikov, S. «Bio-inspired rational design of multiscale topographical interfaces: pansy petal replicas as high-fidelity SERS platforms for single-cell analysis», J. Mater. Chem. B., 2025. Doi: 10.1039/D5TB01784J
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
