Российские учёные разработали новое устройство для более точного измерения активных форм кислорода — молекул, которые в большом количестве становятся опасными для организма. Их избыток вызывает окислительный стресс, ускоряющий процессы старения и повышающий риск развития серьёзных заболеваний, включая патологии сердца, сосудов и головного мозга. Как отмечают исследователи, новая технология оказалась в 1,5–2 раза точнее широко применяемых методов анализа и может открыть дополнительные возможности для ранней диагностики.
Результаты работы, выполненной при поддержке гранта Российского научного фонда, опубликованы в журнале Microchemical Journal.
Активные формы кислорода накапливаются в организме по разным причинам. Среди них — курение, употребление алкоголя, загрязнённый воздух, хронические заболевания и постоянные воспалительные процессы. В небольших количествах такие молекулы участвуют в нормальных биохимических реакциях, но при избытке начинают разрушать белки и повреждать ДНК. Это может запускать цепочку процессов, связанных с преждевременным старением и развитием онкологических и возрастных заболеваний.
Чтобы оценить уровень активных форм кислорода, врачи и исследователи используют метод, основанный на люминоле — веществе, которое начинает светиться при контакте с такими молекулами. Однако стандартная технология имеет ограничения: люминол даёт достаточно слабое свечение, поэтому приходится использовать большие объёмы реагентов и биологического материала. Особенно сложно проводить анализ, если исследуются труднодоступные образцы, например спинномозговая жидкость.
Кроме того, классический подход требует ручного дозирования компонентов, а смешивание реагентов происходит медленно и неравномерно. Это увеличивает время исследования и снижает точность, поскольку свечение фиксируется уже после того, как реакция могла пройти неодинаково в разных участках раствора.
Чтобы решить эту проблему, специалисты из Университета ИТМО, Санкт-Петербургского академического университета имени Ж.И. Алфёрова РАН и Института аналитического приборостроения РАН создали микрофлюидный чип — миниатюрное устройство с системой микроканалов. Внутри него раствор с люминолом и смесь с активными формами кислорода движутся по параллельным каналам, после чего быстро смешиваются благодаря специальному рельефу, который дробит потоки и ускоряет перемешивание.
Форма каналов была предварительно рассчитана с помощью программного моделирования в COMSOL, что позволило подобрать наиболее эффективную геометрию для быстрого взаимодействия жидкостей. После смешивания раствор мгновенно попадает в зону датчика, где фиксируется интенсивность свечения.
Как отмечают исследователи, вся реакция происходит за доли секунды в объёме меньше капли воды, что делает метод более экономичным и технологичным. Эксперимент показал, что точность измерений в разработанной системе оказалась в 1,5–2 раза выше по сравнению с классическим методом, где значительные погрешности возникают из-за медленного анализа и неоднородного перемешивания.
Дополнительным преимуществом нового чипа стала возможность наблюдать реакцию в режиме реального времени. Это позволяет не только измерять уровень активных форм кислорода, но и более глубоко изучать механизмы химических процессов. Такой подход может быть востребован как в фундаментальных исследованиях, так и в фармацевтике, где важно понимать, как различные вещества взаимодействуют в биологических средах.
Разработчики считают, что технология может стать основой для создания новых диагностических инструментов, которые смогут выполнять экспресс-анализ по капле крови. В перспективе такие устройства могут применяться для контроля эффективности терапии, в том числе при лечении онкологических заболеваний.
По словам инженера-исследователя ИТМО Глеба Симоненко, в дальнейшем команда планирует совершенствовать управление потоками в микроканалах, чтобы ещё точнее анализировать динамику процессов и расширить возможности применения микрофлюидных систем в медицине.