W niedalekiej przyszłości odpowiednio wczesną diagnostykę  mogłyby zapewnić proste i tanie czujniki chemiczne – dzięki specjalnym  polimerowym warstwom rozpoznającym, opracowanym w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

Dziś rak nie oznacza już wyroku dla pacjenta. Największe szanse na  wyleczenie są jednak wtedy, gdy odpowiednia terapia zostanie podjęta we  wczesnej fazie rozwoju choroby. Tu pojawia się kłopot: wiele nowotworów  przez długi czas rozwija się bezobjawowo. Rozwiązaniem problemu byłyby  dostępne dla każdego testy diagnostyczne, które można by przeprowadzać  samemu i w miarę regularnie. Krokiem ku tak spersonalizowanej  diagnostyce medycznej i profilaktyce nowotworów jest detektor opracowany  w grupie prof. dr. hab. Włodzimierza Kutnera z Instytutu Chemii  Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie w ramach grantu Narodowego Centrum  Nauki, we współpracy z zespołem prof. Francisa D’Souzy z University of  North Texas w Denton, USA.

Najważniejszym elementem czujnika zbudowanego w IChF PAN jest cienka  warstwa polimeru, rozpoznająca cząsteczki neopteryny. Neopteryna – w  terminologii chemicznej znana jako  2-amino-4-hydroksy-6(1,2,3-trihydroksypropylo)-pterydyna – to związek  aromatyczny występujący w płynach ustrojowych człowieka, m.in. w  surowicy, moczu i płynie mózgowo-rdzeniowym. Produkowana przez układ  immunologiczny, w diagnostyce medycznej jest traktowana jako uniwersalny  wskaźnik. Stężenie tego biomarkera wzrasta szczególnie wyraźnie w  przypadku niektórych chorób nowotworowych, np. chłoniaków złośliwych,  chociaż podwyższony poziom neopteryny obserwuje się także w części  zakażeń wirusowych i bakteryjnych oraz w chorobach o podłożu  pasożytniczym. Z kolei u pacjentów po transplantacji zwiększony poziom  neopteryny to sygnał o prawdopodobnym odrzucaniu przeszczepu.

„Jak wykryć obecność neopteryny? Racjonalnym podejściem jest użycie w  tym celu specjalnych materiałów rozpoznających, przygotowanych za pomocą  wdrukowywania molekularnego. Technika ta polega na 'odciskaniu' cząsteczek poszukiwanego związku – ich kształtu, ale też przynajmniej  niektórych cech chemicznych – w starannie skonstruowanym polimerze”,  wyjaśnia dr Piyush Sindhu Sharma (IChF PAN), pierwszy autor artykułu  opublikowanego w czasopiśmie „Biosensors and Bioelectronics”.

Podczas przygotowywania warstwy polimerowej, cząsteczki poszukiwanej  substancji – w tym przypadku neopteryny – trafiają do roztworu  roboczego, w którym muszą się połączyć z grupami wiążącymi tzw.  monomerów funkcyjnych. Monomery te z kolei powinny być zdolne do  formowania połączeń z innym monomerem, sieciującym, po spolimeryzowaniu  tworzącym sztywną konstrukcję nośną. Z tak powstałej konstrukcji  wypłukuje się następnie cząsteczki związku zastosowanego w charakterze  szablonu, otrzymując trwały polimer z lukami molekularnymi o kształcie i  właściwościach chemicznych zapewniających wychwytywanie z otoczenia  cząsteczek poszukiwanego związku.

Podstawową trudnością wdrukowywania molekularnego jest dobór  odpowiednich związków chemicznych, ich proporcji i warunków reakcji.

Doktorantka Agnieszka Wojnarowicz (IChF PAN) wyjaśnia: „Za pomocą  obliczeń kwantowo-chemicznych najpierw sprawdzamy, czy między naszą  cząsteczką-szablonem a wybranymi monomerami funkcyjnymi powstaną  wiązania i czy będą one trwałe w stosowanym rozpuszczalniku. Sprawdzamy  także, czy uformowane luki molekularne będą dostatecznie selektywne,  czyli czy będą przede wszystkim wychwytywały poszukiwane cząsteczki, a  nie jakiekolwiek do nich podobne. Gdy wyniki obliczeń potwierdzają nasze  oczekiwania, przychodzi kolej na ich eksperymentalne potwierdzenie”.

W IChF PAN polimerową warstwę rozpoznającą z lukami molekularnymi po  neopterynie wytworzono na powierzchni elektrody. Po zanurzeniu w  sztucznej surowicy krwi z niewielką domieszką neopteryny, warstwa na  elektrodzie wyłapywała cząsteczki tejże, co prowadziło do obniżenia  potencjału elektrycznego w podłączonym układzie pomiarowym.

Przeprowadzone testy wykazały, że mimo obecności w roztworze cząsteczek  o podobnej budowie i właściwościach, luki molekularne polimeru były  niemal wyłącznie wypełniane cząsteczkami neopteryny. Wynik ten oznacza,  że prawdopodobieństwo fałszywie pozytywnej detekcji (wykrycia obecności  neopteryny w płynie ustrojowym jej niezawierającym) jest pomijalnie  małe. Nowy czujnik chemiczny reaguje zatem głównie na to, na co powinien  – i na nic innego.

„Nasz chemosensor to na razie urządzenie laboratoryjne. Jednak  wytwarzanie jego kluczowego elementu, czyli polimerowej warstwy  detekcyjnej, nie stwarza większych problemów, a elektronikę  odpowiedzialną za pomiary elektryczne łatwo zminiaturyzować. Nic nie  stoi na przeszkodzie, by na podstawie naszego opracowania już za kilka  lat budować proste i niezawodne urządzenia diagnostyczne, których cena  leżałaby w zasięgu możliwości finansowych nie tylko instytucji  medycznych czy gabinetów lekarskich, ale i masowego odbiorcy”,  przewiduje prof. dr hab. Włodzimierz Kutner (IChF PAN).