Ученые МФТИ и МГУ разработали плазмонные чернила на основе наночастиц золота для моментальной диагностики возбудителя тяжелых внутрибольничных инфекций — синегнойной палочки. Они позволяют выявлять опасные бактерии даже на ранних стадиях болезни за считанные минуты и не требуют сложного оборудования. Это поможет быстрее назначать лечение и снизить неоправданное использование антибиотиков. Исследование опубликовано в журнале Analytica Chimica Acta.
«Теперь не нужно ждать несколько дней, пока вырастут бактерии в чашке Петри, отправлять образцы в лабораторию и проводить сложную пробоподготовку. Достаточно взять мазок ватным тампоном, нанести на него плазмонные чернила и поднести портативный спектрометр — результат будет готов через минуты», — Евгения Афонюшкина, младший научный сотрудник химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) входит в число наиболее опасных возбудителей внутрибольничных инфекций. Она вызывает тяжелые пневмонии, сепсис и поражения внутренних органов с высоким уровнем летального исхода. Главное препятствие в борьбе с ней — высокая устойчивость ко многим антибиотикам. С каждым годом все меньше препаратов сохраняют свою эффективность против этого патогена.
Стандартная диагностика требует посева на питательные среды и инкубации в течение 2–3 дней. Однако пациент с острой инфекцией нуждается в лечении немедленно, поэтому врачи вынуждены назначать антибиотики «вслепую», до получения результатов. Это неизбежно ведет к неоправданному применению тяжелых препаратов, росту лекарственной устойчивости и ухудшает прогноз для пациента.
Новая разработка ученых МФТИ и МГУ ускоряет процесс диагностики с нескольких дней до нескольких минут. В ее основе — детекция пиоцианина, характерного пигмента, выделяемого синегнойной палочкой. Его «молекулярный отпечаток» хорошо регистрируется с помощью метода рамановской спектроскопии.
Однако при малом количестве бактерий сигнал пиоцианина оказывается слишком слабым для надежной регистрации. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали чернила на основе золотых «нанозвезд» — частиц с острыми шипами. Такая форма обеспечивает максимальную концентрацию электромагнитного поля, которое усиливает сигнал близлежащих с нанозвездами молекул в миллионы раз.
Золотые «нанозвезды» для изготовления плазмонных чернил синтезировали в две стадии. Сначала по методу Туркевича получили сферические наночастицы размером около 15 нанометров. Они служили центрами кристаллизации, на которых в растворе нитрата серебра и аскорбиновой кислоты наращивали «шипы» длиной около 30 нанометров, формируя характерную звездчатую морфологию.
Плазмонные чернила поместили в обычный стержень для ручки. Для проведения диагностики достаточно либо нанести чернила непосредственно на образец (например, на мазок слюны пациента), либо предварительно создать сенсорную поверхность на бумаге, а уже на нее нанести пробу, после чего измерить сигнал портативным спектрометром.
Весь процесс занимает несколько минут, не требует ни центрифугирования, ни специальных реагентов, ни стерильных боксов.
Ученые протестировали плазмонные чернила в лабораторных и полевых условиях. В лаборатории чернила наносили на бумагу, а сверху помещали жидкий образец — в результате пиоцианин удалось обнаружить в слюне в концентрации 15 наномолей на литр.
В полевых же условиях чернила нанесли прямо на образец слюны, а измерение проводили с помощью рамановского портативного спектрометра. Предел обнаружения достиг 5 микромолей на литр.
«Мы сравнили диагностические возможности лабораторного и портативного спектрометров. Первый показывает предельную чувствительность в идеальных условиях — это важно для дальнейших фундаментальных биомедицинских исследований, основанных на предложенном методе детектирования пиоцианина. Второй — это мобильный аппарат, работающий по принципу “взял мазок, поднес, получил результат”, без сложной калибровки и настройки. Разница в чувствительности составила три порядка, но даже этого оказалось достаточно, чтобы обнаружить сигнал биомаркера в клинически значимых концентрациях при помощи портативного прибора», — рассказал Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Клинически значимые концентрации пиоцианина у пациентов с инфекцией, вызванной синегнойной палочкой, составляют от 47 до 100 микромолей на литр. Разработанный метод полностью перекрывает этот диапазон, что позволяет выявлять возбудителя уже на ранних этапах заболевания Это открывает широкие возможности экспресс-диагностики инфекции для больниц, поликлиник и служб неотложной помощи.
«Наш подход открывает возможность проводить анализ без длительной пробоподготовки — фактически в том виде, в котором материал был получен от пациента. Это позволяет применять метод не только в лаборатории, но и непосредственно у постели больного, в приемном отделении или в службе неотложной помощи. Мы создали простой и доступный инструмент для быстрого принятия решений о терапии», — прокомментировала исследование Ирина Веселова, профессор, заведующая лабораторией биоаналитических методов и оптических сенсорных систем химического факультета МГУ.
Ученые уже изготовили демонстрационные образцы, подтвердившие свою эффективность в ходе экспериментов.. В ближайших планах — адаптировать технологию для диагностики целых бактериальных клеток, а также других патогенных микроорганизмов.
Работа поддержана Минобрнауки (соглашение № 075-15-2024-546), Российским научным фондом (грант № 24-45-00021).
