Rak płuc to choroba, która często diagnozowana jest dopiero w zaawansowanym stadium. Ogranicza to możliwości leczenia i znacząco zmniejsza szanse pacjenta na przeżycie. Przełom w wykrywaniu tego nowotworu może przynieść nowy biosensor oparty na detekcji heksanalu, opracowany przez naukowca z Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ we współpracy z badaczami z Chin oraz Politechniki Warszawskiej.

Wczesne i skuteczne wykrywanie raka płuc należy do największych wyzwań współczesnej onkologii. We wczesnych fazach choroba nie daje charakterystycznych objawów, dlatego często rozpoznawana jest dopiero wtedy, gdy szanse na wyleczenie są niewielkie. Choć badania obrazowe, takie jak prześwietlenie klatki piersiowej czy tomografia komputerowa, zwiększają możliwość wykrycia zmian, wciąż potrzebne są nowe metody umożliwiające rozpoznanie choroby na jej najwcześniejszym etapie.

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań jest analiza oddechu pod kątem tzw. lotnych związków organicznych (ang. volatile organic compounds, VOCs) obecnych w wydychanym powietrzu. Związki te mają duży potencjał jako biomarkery, ponieważ ich stężenie różni się znacząco między osobami zdrowymi a chorymi. Szczególną uwagę zwraca się na heksanal – aldehyd, którego poziom w powietrzu wydychanym przez pacjentów z rakiem płuc jest wyraźnie podwyższony. Największym wyzwaniem pozostaje jednak precyzyjne wykrywanie tego związku przy jego bardzo niskim stężeniu.

Próbę opracowania biosensora zdolnego do detekcji śladowych ilości heksanalu podjął dr Amil Aligayev z Centrum Doskonałości NOMATEN w Narodowym Centrum Badań Jądrowych, we współpracy z naukowcami z Chin i Politechniki Warszawskiej. Celem zespołu było stworzenie sensora, który dzięki zastosowaniu rozpraszania Ramana (surface enhanced Raman scattering, SERS) umożliwi niezwykle czułe wykrywanie związku, a jednocześnie będzie intuicyjny w obsłudze i prosty w implementacji dzięki zastosowaniu detekcji kolorymetrycznej.

Opracowany biosensor oparty jest na hydrożelu z nanosześcianami srebra otoczonymi warstwami wodorotlenku kobaltu i niklu (AgNCs@Co-Ni LDH). Do wykrywania heksanalu wykorzystano związek MBTH (hydrazon 3-metylo-2-benzotiazolinonu). Tak skonstruowany sensor nie tylko generuje silny sygnał ramanowski, lecz także zabarwia się na charakterystyczny błękitny kolor po kontakcie z heksanalem. Dzięki temu możliwe jest zarówno instrumentalne, jak i wizualne wykrywanie biomarkera.

— Testy przeprowadzone na opracowanych biosensorach wykazały, że charakteryzują się one najwyższą dotychczas zaobserwowaną czułością wykrywania heksanalu – nawet na poziomie 3×10⁻¹³ M. Co więcej, zmiany można zauważyć gołym okiem przy stężeniach rzędu 10⁻¹¹ M — mówi dr Amil Aligayev z Centrum NOMATEN w NCBJ. — Sensor wykazuje również wysoką selektywność, powtarzalność wyników, długoterminową stabilność oraz właściwości antybakteryjne, co czyni go odpowiednim do zastosowań praktycznych.

Dzięki wykorzystaniu hydrożelu biosensor może być przygotowany w formie urządzenia noszonego, np. maseczki. W ramach badań przeprowadzono również testy na pacjentach z rakiem płuc oraz w grupie kontrolnej osób zdrowych. Wyniki wykazały wyraźne różnice zarówno w analizie SERS, jak i przy obserwacji wizualnej. — Opracowane połączenie dwóch metod pozwala na niezwykle precyzyjne wykrywanie biomarkerów raka płuc. Stworzyliśmy praktyczne, nieinwazyjne i tanie narzędzie, które może być przełomem w diagnostyce wczesnych stadiów choroby — dodaje Jialin Li z Uniwersytetu Południowo-Wschodniego w Chinach.

Zespół opracował także oprogramowanie oparte na konwolucyjnej sieci neuronowej, osiągające skuteczność powyżej 95%. System o nazwie ColorSeek analizuje zmiany barwy biosensora w czasie rzeczywistym, korzystając z kamery komputera lub smartfona. To mobilne, wspierane przez sztuczną inteligencję i przyjazne dla użytkownika narzędzie diagnostyczne, które w połączeniu z opracowanym sensorem może zrewolucjonizować wczesne wykrywanie raka płuc.

Pełne wyniki badań zostały opublikowane w Chemical Engineering Journal w artykule: “Dual-mode SERS and colorimetric sensor for lung cancer VOC-biomarker detection using hydrogel patches” (https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168343).