Сенсоры для допинг-контроля: определение гормонов в биологических пробах

Современный допинг-контроль опирается на лабораторные методы: хромато-масс-спектрометрию, иммуноферментный анализ, электрофорез. Эти технологии обладают высокой точностью, но требуют дорогостоящего оборудования, квалифицированного персонала и времени. Проба, отправленная в лабораторию, может обрабатываться дни и недели. Для спорта высоких достижений, где результат соревнований зависит от часов, такая задержка критична.

Второе ограничение — стоимость. Массовый скрининг тысяч проб с помощью лабораторных методов обходится дорого. WADA и национальные антидопинговые организации ищут способы снизить издержки, не теряя в точности. Именно здесь появляются сенсорные технологии: портативные, недорогие и способные давать результат в течение минут.

Электрохимический сенсор ТПУ: одновременное определение преднизона и преднизолона

Что создали учёные

Учёные Томского политехнического университета в составе международной научной коллаборации с коллегами из Чехии и Индии разработали электрохимический сенсор, позволяющий одновременно определять уровень преднизона и преднизолона в биологических образцах (согласно данных ТПУ). Преднизон и его активный метаболит преднизолон — наиболее часто назначаемые препараты для лечения воспалительных, аутоиммунных и аллергических заболеваний. В процессе синтеза или хранения лекарств может происходить структурное взаимопревращение этих стероидов, поэтому их одновременное определение в биологических образцах является приоритетной задачей (согласно данных ТПУ).

Помимо клинической диагностики, измерение концентраций этих гормонов используется при выявлении допинга у спортсменов. Глюкокортикостероиды входят в запрещённый список WADA, и их применение в соревновательный период ограничено (согласно данных WADA).

Как устроен сенсор

Основой разработки стал нанокомпозит из многослойных углеродных нанотрубок и углеродных квантовых точек. Углеродные нанотрубки усиливают электрохимический сигнал аналитов в биологических жидкостях, снижают окислительно-восстановительный потенциал за счёт каталитического эффекта и улучшают стабильность отклика. Углеродные квантовые точки обладают высокой каталитической активностью и регулируемой фотолюминесценцией. Сочетание этих двух материалов в гибридной структуре даёт синергетический эффект и значительно улучшает аналитические характеристики сенсора (согласно данных ТПУ).

Квантовые точки синтезированы из лимонной кислоты и мочевины с помощью микроволнового синтеза. Затем методом оптимизированного электрохимического осаждения они были интегрированы в сенсорную платформу на основе углеродсодержащего электрода, предварительно модифицированного слоем многослойных углеродных нанотрубок (согласно данных TPU).

Аналитические характеристики

Сенсор обнаруживает гормоны в концентрациях от 4 до 6 наномолей и работает в линейном диапазоне от 0,02 до 2,0 микромолей. Точность анализа на сыворотке крови составила 97–102%, результаты совпали с эталонным методом. Сенсор устойчив к помехам и сохраняет более 91% сигнала через 20 дней (согласно данных ТАСС).

Разработка позиционируется как быстрый, надёжный и недорогой инструмент для одновременного измерения преднизона и преднизолона, перспективный для контроля лекарств, клинической диагностики и экспресс-анализов (согласно данных ТАСС). Исследование опубликовано в журнале Q2 с импакт-фактором 5.8, проект поддержан государственным заданием «Наука» и программой «Приоритет-2030» (согласно данных ТПУ).

Другие сенсорные технологии в допинг-контроле

Аптамеры для ЭПО и гормона роста

Аптамеры — короткие одноцепочечные олигонуклеотиды ДНК или РНК, которые связываются с целевыми молекулами с высокой специфичностью. В отличие от антител, они более устойчивы к условиям среды, способны к обратимой денатурации и могут быть регенерированы (согласно данных WADA). Исследования показали, что аптамеры способны распознавать рекомбинантные формы эритропоэтина без перекрёстной реакции с эндогенным гормоном, что упрощает интерпретацию результатов в допинг-контроле (согласно данных PubMed).

В проекте, финансированном WADA, Operational Technologies Corp разработала ДНК-аптамеры, различающие синтетический и натуральный гормон роста человека. Аптамеры были использованы для ультрачувствительного обнаружения гормона роста в формате электрохемилюминесценции с детекцией на уровне суб-пикограмм на миллилитр (согласно данных WADA).

Иммуносенсоры для тестостерона и анаболических стероидов

Иммуносенсоры на основе антител применяются для определения тестостерона, метилтестостерона и других анаболических стероидов. Электрохимические иммуносенсоры обеспечивают пределы обнаружения, сопоставимые со стандартными методами иммуноферментного анализа, но при этом могут быть миниатюризированы и адаптированы для полевых условий (согласно данных TDX).

Развитие получили и неконкурентные иммуноанализы для тестостерона, использующие антитела против иммунокомплексов. Это позволяет обходить ограничения традиционных конкурентных схем и повышать чувствительность определения (согласно данных ACS Publications).

WADA и биологический паспорт спортсмена

Параллельно с развитием сенсорных технологий WADA совершенствует методологию биологического паспорта спортсмена. В 2023 году введены два новых модуля: стероидный модуль по показателям крови для улучшения выявления тестостерона и эндокринный модуль, отслеживающий маркеры гормона роста человека и связанных веществ (согласно данных Inside The Games).

Эндокринный модуль измеряет IGF-1 и P-III-NP — маркеры, которые остаются повышенными в крови дольше, чем сам гормон роста. Это позволяет выявлять применение гормона роста ретроспективно, когда прямое обнаружение уже невозможно. WADA также выпустила технический документ TD2026DBS, регламентирующий сбор и анализ сухих пятен крови для допинг-контроля (согласно данных WADA).

Что это означает для рынка и спорта

Практические перспективы

Сенсорные технологии предлагают альтернативу лабораторным методам там, где важны скорость и стоимость. Электрохимический сенсор ТПУ может использоваться для экспресс-скрининга глюкокортикостероидов, аптамеры — для предварительного тестирования на ЭПО и гормон роста, иммуносенсоры — для быстрого определения анаболических стероидов. В совокупности они формируют многоуровневую систему: сенсоры для полевого скрининга, лабораторные методы для подтверждающего анализа.

Для спортивных организаций это означает возможность увеличить число тестирований без пропорционального роста бюджета. Для клинической диагностики — более быстрое принятие решений о дозировке препаратов. Для пациентов — снижение риска побочных эффектов за счёт более точного контроля концентрации лекарств в крови.

Ограничения и что дальше

Сенсоры пока не заменяют лабораторные методы полностью. Электрохимический сенсор ТПУ прошёл испытания на сыворотке крови с добавлением гормонов, но клинические исследования на реальных пробах спортсменов ещё впереди. Аптамерные тесты для гормона роста требуют дальнейшей валидации и подтверждения воспроизводимости в полевых условиях.

Второе ограничение — специфичность в сложных биологических матрицах. Моча и кровь содержат множество соединений, которые могут влиять на сигнал. Сенсор ТПУ показал устойчивость к распространённым помехам, но универсального решения для всех типов проб не существует.

Третье ограничение — регуляторное. Для использования в официальном допинг-контроле сенсорные методы должны быть аккредитованы WADA и включены в технические документы. Этот процесс занимает годы и требует воспроизведения результатов в независимых лабораториях.

Сенсоры для допинг-контроля перестали быть лабораторной экзотикой. Электрохимический сенсор ТПУ определяет преднизон и преднизолон с точностью 97–102%, аптамеры различают синтетический и натуральный гормон роста, иммуносенсоры фиксируют тестостерон на уровне, сопоставимом с лабораторными методами. WADA параллельно развивает биологический паспорт, отслеживая маркеры гормонов ретроспективно. Остаётся вопрос, как быстро сенсорные технологии пройдут аккредитацию и станут частью официального допинг-контроля — от этого зависит, смогут ли они реально изменить практику тестирования.