Ученые из Национального института образования Наньянского технологического университета в Сингапуре и сингапурского исследовательского подразделения Массачусетского технологического института вместе с врачами Национального университетского госпиталя и медицинского факультета Национального университета Сингапура создали новый флуоресцентный наносенсор. Он быстро определяет индол-3-пропионовую кислоту — сравнительно новый биомаркер, связанный со здоровьем кишечника и разными заболеваниями.

Эта кислота появляется, когда кишечные бактерии перерабатывают триптофан — аминокислоту, которая нужна организму для построения белков и поступает с едой. Она участвует в регулировании воспаления и окислительного стресса, а ее уровень связывают с воспалительными заболеваниями кишечника, диабетом второго типа и болезнями печени. Сейчас для ее определения используют методы на основе масс-спектрометрии. Они дорогие и медленные, поэтому плохо подходят для массовых проверок и для тестов у постели пациента.

Новая платформа стала первым оптическим наносенсором, который специально рассчитан на определение этой кислоты. Она закрывает давнюю нехватку в области измерения кишечных метаболитов. Сенсор работает на флуоресценции и выдает результат за несколько минут. Это заметно быстрее и доступнее привычных аналитических методов. Он хорошо отличает нужную кислоту от близких по строению веществ, которые обычно есть в кишечнике, и поэтому точно срабатывает даже в сложной биологической среде, например в сыворотке крови.

---

Впервые мы можем напрямую и быстро измерять уровни индол-3-пропионовой кислоты в биологических образцах с помощью оптического наносенсора, — сказал помощник профессора Мервин Анг из Национального института образования и один из первых авторов работы, который на момент начала исследования также занимал должность заместителя научного директора в исследовательской группе SMART DiSTAP. — Этот новый подход уходит от традиционной масс-спектрометрии и может открыть путь к более быстрому и доступному наблюдению за здоровьем кишечника в реальных условиях.

---

Подробности команда описала в статье «Флуоресцентный наносенсор для определения индол-3-пропионовой кислоты при мониторинге здоровья кишечника», которая вышла в журнале Advanced Healthcare Materials. Новый наносенсор опирается на работу междисциплинарной исследовательской группы SMART по прорывным и устойчивым технологиям для точного земледелия, которая занимается нано- и оптическими сенсорами. Изначально технологию разрабатывали для наблюдения за здоровьем растений, включая сигналы роста и реакции на стресс. Теперь нано- и оптическую платформу перестроили так, чтобы она определяла индол-3-пропионовую кислоту, и приспособили для задач здоровья человека.

---

Эта работа продолжает тему распознавания молекул, которой занимается SMART DiSTAP. Похожие приемы мы использовали, чтобы измерять гормоны и метаболиты в живых растениях для сельского хозяйства, а теперь применили их к желудочно-кишечной системе человека. Нам удалось взяться за давнюю задачу в области здоровья кишечника, — сказал профессор Майкл Страно, ведущий главный исследователь SMART DiSTAP, профессор химической инженерии имени Карбона П. Даббса в Массачусетском технологическом институте и автор переписки. — Сосредоточив распознавание молекул на этом важном биомаркере здоровья кишечника, мы показали мощный новый инструмент, который однажды может сделать медицинскую помощь проактивной и персональной. Он обещает почти мгновенные сведения о состоянии кишечника или о течении хронических болезней вроде воспалительных заболеваний кишечника.

---

Важная особенность технологии — двойной режим определения. Наносенсор работает в видимом флуоресцентном режиме, который позволяет быстро, дешево и в больших объемах проверять биологические образцы. Еще он работает в ближнем инфракрасном диапазоне, а такие волны проникают глубже в ткани. Ближний инфракрасный режим дает возможность приспосабливать технологию для работы внутри организма и встраивать ее в носимые устройства для домашних проверок или постоянного наблюдения. Например, так можно раньше замечать обострения у людей с хроническими заболеваниями вроде воспалительных заболеваний кишечника и помогать им самостоятельно следить за здоровьем. Гибкость платформы позволяет использовать ее в разных местах: в лабораторных анализах, у больничной койки и в носимых устройствах для наблюдения в реальном времени.

Чтобы оценить клиническую пользу, исследователи вместе с врачами Национального университетского госпиталя проверили наносенсор на 125 образцах плазмы крови от разных групп пациентов, включая здоровых людей и людей с заболеваниями желудочно-кишечного тракта. Исследование показало заметную разницу в уровнях индол-3-пропионовой кислоты между здоровыми людьми и пациентами с воспалительными заболеваниями кишечника, включая болезнь Крона и язвенный колит. У пациентов с активным воспалением кишечника уровни этой кислоты оказались ниже, что совпадает с уже известными клиническими данными.

---

С клинической точки зрения быстрый и не слишком сложный способ оценивать уровни метаболитов вроде индол-3-пропионовой кислоты может быть очень ценным, — сказал адъюнкт-доцент Джонатан Ли, старший консультант отделения гастроэнтерологии и гепатологии департамента медицины Национального университетского госпиталя и медицинского факультета Национального университета Сингапура, один из первых авторов работы. — Он может дополнить существующие диагностические инструменты и дать дополнительные сведения о пациентах с воспалительными заболеваниями кишечника.

---

За пределами лаборатории исследование может открыть путь к более быстрой и доступной проверке здоровья кишечника. Вместо сложных и долгих лабораторных методов новый наносенсор может позволить быстро проверять людей в клиниках и даже делать переносные или домашние тесты. Так можно раньше находить болезни кишечника и легче следить за ходом лечения.

В отличие от обычных тестов микробиома, которые показывают, какие бактерии присутствуют, этот наносенсор измеряет, что эти микробы активно производят. Такой снимок здоровья кишечника получается более прямым и функциональным. Измерение выработки метаболитов, а не только состава бактерий, может дать более осмысленные сведения об общем здоровье и поддержать более персональный подход к медицинской помощи. Помимо клинической диагностики, технологию можно использовать, чтобы сразу отслеживать эффект диетических вмешательств. Человек быстро увидит, действительно ли конкретные продукты или пробиотики подпитывают его кишечные бактерии так, чтобы те производили противовоспалительные молекулы вроде индол-3-пропионовой кислоты. Сенсор также показал надежную работу в сложных биологических жидкостях, таких как сыворотка и плазма. Это важный шаг к реальному клиническому применению и дальнейшим прикладным задачам.

Для фармацевтических и терапевтических исследований наносенсор может пригодиться в быстрых функциональных тестах, чтобы определять эффективность новых лекарств или пробиотиков. Мгновенный результат по уровням индол-3-пропионовой кислоты позволяет в реальном времени показать, что препарат биологически активен и работает. Это заметно ускоряет скрининг лекарств и подбор дозировки.

---

Переход от лабораторного открытия к клиническому инструменту для точки оказания помощи уже начался, — сказал помощник профессора Анг. — При дальнейшей разработке платформа может стать клиническим применением, а в долгосрочной перспективе — переносной платформой для регулярного наблюдения за здоровьем.

---

Команда получила инновационный грант Innovation to Startup (I2Start), чтобы выходить на рынок через сингапурский протостартап и продвигать проверку и разработку. Главная цель — превратить сенсор в клинический диагностический инструмент для точки оказания помощи. Платформу также хотят расширить, чтобы она определяла сразу несколько кишечных метаболитов, и добавить разбор сигналов с помощью искусственного интеллекта. Это даст более точное, полное и персональное наблюдение за здоровьем кишечника. В дальнейшем возможна интеграция в носимые устройства, системы с микроиглами или микрофлюидные платформы для непрерывного определения в реальном времени.