Nanostruktury węglowe w wykrywaniu Parkinsona

Nanostruktury węglowe w wykrywaniu Parkinsona

W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie skonstruowano elektrody pokryte nanocząstkami węgla i drobinami polikrzemianów, które zastosowano w badaniu stężenia dopaminy. Na ich bazie będzie można opracować tanie i szybkie testy medyczne do badania schorzeń układu nerwowego, takich jak choroba Parkinsona – podano w komunikacie IChF PAN.

Elektrody opracowane w Instytucie Chemii Fizycznej PAN składają się z naprzemiennych warstw drobin polikrzemianowych i nanocząstek węgla. Polikrzemianowe drobiny mają rozmiary od 100 do 300 nanometrów. Jako nieprzewodzące, pełnią jedynie rolę szkieletu rozbudowującego powierzchnię elektrody. Polikrzemiany są gęsto pokryte nanocząstkami węgla (w rozmiarach od 8 do 18 nm), które tworzą właściwą, przewodzącą prąd powierzchnię roboczą.

Wytwarzanie elektrod z nowymi pokryciami jest tanie. Elektrody naprzemiennie zanurza się na kilka sekund w odpowiednio przygotowanych zawiesinach, raz z drobinami polikrzemianowymi, raz z nanocząstkami węglowymi. Nanocząstki węglowe mają grupy funkcyjne naładowane ujemnie, a polikrzemiany dodatnio. Występujące między nimi oddziaływania elektrostatyczne są dość silne. Sprawdziliśmy, że wielokrotnie powtarzając zanurzenia można na powierzchni elektrody zbudować 'kanapkę' nawet z 24 warstw, opisuje doktorantka Anna Celebańska z IChF PAN.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wykorzystali nowe elektrody do detekcji dopaminy w roztworach. Niedobór tego związku chemicznego występuje m.in. w chorobie Parkinsona, zatem jego wykrywanie ma istotne znaczenie medyczne. Zadanie jest trudne, ponieważ stężenie dopaminy w płynach ustrojowych, nawet u osób zdrowych, jest bardzo małe. Ponadto w próbkach z dopaminą zwykle są obecne inne substancje, takie jak kwas moczowy i askorbinowy. Oba związki generują podobne sygnały co dopamina, a występują w stężeniach tysiąckrotnie większych.

Aby za pomocą nowej metody sprawdzić stężenie dopaminy, elektrody z nanocząstkami węglowymi zanurza się w odpowiednio przygotowanym roztworze z próbką, po czym przykłada się potencjał elektryczny. Dopamina jest elektrochemicznie aktywna i dobierając odpowiednią wartość potencjału można ją utlenić. Niestety, jej sygnał jest zwykle przesłonięty sygnałami pochodzącymi od kwasów askorbinowego i moczowego. Jednak dzięki nanocząstkom węgla na powierzchni elektrod, wartości potencjałów, przy których następuje utlenienie obu kwasów, zmieniają się. W efekcie piki na wykresie rozdzielają się i sygnał pochodzący od dopaminy staje się widoczny.

Wyniki przeprowadzonych testów okazały się bardzo dobre. Nasza metoda należy do jednych z najczulszych sposobów detekcji dopaminy. Pozwala wykryć ją w stężeniach do 10-7 mola na litr w obecności substancji przeszkadzających o stężeniu 10-3 mola na litr, mówi Celebańska.

Obecne metody badania stężenia dopaminy są drogie i wymagają specjalistycznego sprzętu. Tymczasem na rynku są dostępne stosunkowo tanie, mieszczące się w dłoni przyrządy do detekcji substancji chemicznych. Gdyby wyposażyć je w nowe elektrody i upowszechnić w gabinetach lekarskich, pacjent o swojej chorobie mógłby dowiedzieć się jeszcze przed końcem wizyty.

Detekcja dopaminy za pomocą nowych elektrod jest możliwa do stężeń odpowiadających stężeniom dopaminy w płynach ustrojowych zdrowego człowieka. Stężenia mniejsze, charakterystyczne dla osób chorych, nie zostaną dokładnie oznaczone i detektor nie zadziała. Metoda ma naturalny próg detekcji, dzięki któremu potrafimy ustalić, że dopaminy w organizmie jest za mało. Ile za mało tego na razie nie umiemy powiedzieć. Mamy jednak nadzieję na dalsze zwiększenie czułości metody, stwierdza prof. dr hab. Marcin Opałło z IChF PAN.

Elektrody powstały w ramach grantu Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie o wartości ponad 73 mln złotych, który jest finansowany w 85% z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Głównymi uczestnikami grantu są Instytut Fizyki PAN (koordynator), Instytut Chemii Fizycznej PAN i Instytut Wysokich Ciśnień PAN. Wyniki badań, poprzedzone zgłoszeniem patentowym, opublikowano w czasopiśmie Biosensors and Bioelectronics.

(pj)