Нанозонды на основе FRET для обнаружения нуклеиновых кислот и диагностики заболеваний: материалы, архитектура зондов и тенденции аналитических методов

Резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET) преобразует изменения расстояния между донором и акцептором на нанометровом уровне в флуоресцентные сигналы, основанные на соотношении интенсивностей, и позволяет выявлять биомаркеры нуклеиновых кислот в гомогенных условиях при постоянной температуре. В этом обзоре критически анализируются нанозонды на основе FRET для обнаружения нуклеиновых кислот и диагностики заболеваний: от органических красителей и катионных сопряжённых полимеров до металлических наночастиц, квантовых точек, апконверсионных наночастиц, углеродных наноструктур, MXенов и полимерных наноантенн. Рассматриваются различные архитектуры зондов, включая гибридизацию по типу «сэндвич», распадающиеся шпильки, молекулярные маяки, сенсоры на динамических соединениях и безферментные ДНК-схемы; анализируется, как эти платформы обеспечивают аттомолярные пределы обнаружения, различение однонуклеотидных замен и мультиплексный анализ в сложных матрицах. Примеры демонстрируют применение таких систем для выявления вирусных (SARS-CoV-2), бактериальных и грибковых возбудителей, циркулирующих микроРНК и мРНК, связанных с раком, а также маркеров нейродегенеративных заболеваний; рассматривается и сочетание FRET-сигналов с ПЦР и изотермической амплификацией. Нанозонды на основе FRET сравниваются с традиционными методами анализа нуклеиновых кислот по аналитическим характеристикам, требованиям к оборудованию и совместимости с форматами диагностики у места оказания медицинской помощи. Обсуждаются сохраняющиеся проблемы — фотоблекание, спектральная перегруженность, автофлуоресценция матрицы, токсичность нанопереносчиков и межлабораторная невоспроизводимость — и перспективные решения, включая FRET в ближней инфракрасной области и на основе времени жизни флуоресценции, анализы с использованием CRISPR, наноантенны на основе ДНК-оригами, а также микрофлюидные устройства и устройства с поддержкой смартфонов. В заключение обозначены основные тенденции, которые могут способствовать переходу от демонстрации принципа действия нанозондов на основе FRET к диагностическим решениям, значимым для клинической практики.