HerAqua – miniaturowy czujnik do wykrywania hormonów

Hormony kojarzymy przede wszystkim ze zdrowiem, rozwojem i codziennym funkcjonowaniem organizmu. To właśnie one regulują m.in. cykl menstruacyjny, przebieg ciąży, pracę tarczycy, metabolizm i reakcje na stres. Współczesna medycyna coraz skuteczniej wykorzystuje hormony w antykoncepcji, leczeniu niepłodności, menopauzy, chorób tarczycy czy nowotworów. Leki zawierające hormony są ogromnym wsparciem dla milionów osób, ale ich stosowanie ma również mniej widoczny wymiar środowiskowy.

Hormony na styku zdrowia człowieka i środowiska

Część hormonów i ich metabolitów jest wydalana z organizmu, a następnie trafia do kanalizacji i wód powierzchniowych. Nawet bardzo niskie stężenia hormonów mogą wpływać na organizmy wodne, zakłócać ich rozwój i rozród oraz zmieniać równowagę ekosystemów. Jednocześnie w medycynie szybkie i wiarygodne śledzenie zmian poziomu hormonów jest ważne dla diagnostyki i oceny skuteczności terapii. Zdrowie człowieka i stan środowiska wodnego są więc ze sobą ściśle powiązane.

Projekt HerAqua odpowiada na oba te wyzwania. Jego celem jest opracowanie prototypu niewielkiego, przenośnego urządzenia mikroprzepływowego, które umożliwi wykrywanie wybranych hormonów w bardzo małych objętościach próbek cieczy z użyciem sensora elektrochemicznego. Docelowo platforma będzie testowana zarówno w modelowych płynach ustrojowych, jak i w próbkach wód środowiskowych. Ma to pokazać, że w przyszłości będzie można wykonywać pomiary szybciej, bliżej miejsca pobrania próbki i przy wykorzystaniu znacznie mniejszej ilości materiału.

Nanomateriały w służbie precyzyjnego wykrywania hormonów

Sercem urządzenia będą specjalnie zaprojektowane elektrody. Powstaną one z nanostrukturalnych nanomateriałów węglowych, a dokładnie dwuwymiarowych węglików metali znanych pod nazwą MXenów chrakteryzujących się wysokim przewodnictwem elektrycznym oraz węglowych kropek kwantowych. Materiały te będą łączone i modyfikowane nanocząstkami złota, aby zwiększyć czułość powierzchni elektrody. Dzięki dużej powierzchni i dobremu przewodnictwu elektrody będą mogły skutecznie „wyłapywać” bardzo małe ilości hormonów i przekształcać informację o ich obecności w mierzalny sygnał elektryczny.

Sama czułość nie wystarczy, gdy chcemy dokonać pomiaru w próbkach rzeczywistych, takich jak ścieki, woda rzeczna, ślina czy pot. Zawierają one wiele substancji, które mogą zakłócać pomiar. Dlatego powierzchnie elektrod zostaną biofunkcjonalizowane, czyli wyposażone w biologiczne elementy rozpoznające konkretne cząsteczki, np. przeciwciała. Można je porównać do molekularnych „zamków”, do których pasuje tylko określony „klucz”, czyli wybrany hormon. Takie rozwiązanie pozwoli zwiększyć selektywność czujnika i umożliwi jednoczesne monitorowanie kilku hormonów.

Zielona technologia dla diagnostyki i monitoringu środowiska

Istotnym elementem realizacji projektu HerAqua jest również zrównoważony sposób wytwarzania materiałów. W wielu standardowych metodach otrzymywania nanomateriałów wykorzystuje się substancje niebezpieczne dla zdrowia i środowiska, np. w przypadku wytwarzania MXenów tradycyjnie wykorzystuje się kwas fluorowodorowy (HF). W projekcie zastosowane zostaną naturalne rozpuszczalniki eutektyczne, oparte na związkach powszechnie występujących w przyrodzie, takich jak pochodne cukrów, aminokwasy czy składniki podobne do tych obecnych w organizmach żywych. Zespół oceni też cykl życia projektowanego urządzenia: od materiałów i procesu wytwarzania, przez użytkowanie, aż po możliwość ponownego wykorzystania lub zagospodarowania zużytych elementów.

Najważniejszym rezultatem projektu będzie laboratoryjny demonstrator urządzenia zdolnego do selektywnego monitorowania hormonów w przepływających próbkach. HerAqua nie ma zastąpić zaawansowanej diagnostyki laboratoryjnej, lecz stworzyć jej praktyczne uzupełnienie: narzędzie przydatne w badaniach środowiskowych, wstępnej diagnostyce i przyszłym monitorowaniu terapii hormonalnych. Projekt pokazuje, że nowoczesne materiały mogą pomagać, jednocześnie chronić zdrowie ludzi, jakość wód i różnorodność biologiczną.