Российская «лаборатория на чипе» прошла тестирование. Лаборатория на чипе: мгновенный анализ крови и разделение клеток

Наука

Станет ли кто-то оспаривать полезность современных медицинских лабораторий, заставленных сверхсложным оборудованием? Если человек заболевает, скажем, раком печени, то болезнь эта приводит к небольшим изменениям в химическом составе крови , увеличивая, в частности, концентрацию одной определенной молекулы лишь на 10 единиц на миллиард молекул остальных веществ. Столь незначительное изменение крайне сложно обнаружить без сложнейшего лабораторного оборудования. Впрочем, похоже на то, что ситуация вскоре может измениться…

Новое устройство из разряда тех, которые называют "лабораториями на микросхеме", было разработано профессором Адамом Уолли (Adam Woolley) и его студентами их Университета Бригама Янга (Brigham Young University). Оно позволяет фиксировать наличие сверх низкой концентрации той самой молекулы. Как сообщил Уолли, в результате экспериментов удалось обнаружить один единственный нанограмм – одну миллиардную грамма – искомой молекулы в целой капле жидкости.

Получается, что вместо того чтобы отправлять образцы в лабораторию для проведения дорогостоящего и сложного анализа, изобретенная микросхема позволяет абсолютно точно оценить полученные результаты невооруженным глазом. Уолли отметил, что их изобретение позволяет осуществлять анализы где угодно . "Кто угодно может положить образец в устройство, и получить ожидаемый результат" , - уверен профессор Уолли. Секрет заключается в том, чтобы выстроить в одну линию своеобразный мельчайший канал из рецепторов, который способен захватить искомую молекулу и пропустить другие.

Как только капля жидкости помещается на чистую микросхему, капиллярное воздействие затягивает жидкость через канал так, что она начинает проходить по одному сантиметру в секунду. Чем большее количество исходных молекул захватывается рецепторами, тем быстрее запирается свободное пространство, что в итоге и вовсе не дает жидкости течь . То расстояние, на которое затекает образец жидкости, является прямым указанием на концентрацию необходимой молекулы (то есть, больше концентрация – меньше расстояние и наоборот).

Возможно, данный процесс на первый взгляд покажется достаточно сложным, однако сам механизм лабораторного теста на микросхеме – это настоящий прорыв в диагностировании. Дело в том, что существует огромное количество молекул, которые указывают на различные заболевания. При этом концентрация их – порядка одного нанограмма на миллиметр или даже меньше! Исследование в обычной лаборатории является крайне дорогим и сложным мероприятием, а новый способ, который так же точен, как и старый, позволит сэкономить время, деньги и, нет сомнений, в некоторых случаях вовремя поставить диагноз и спасти жизнь пациента.

Многие заболевания можно будет диагностировать по одной капле крови за считаные минуты. Фонд перспективных исследований (ФПИ) совместно с Институтом биохимической физики имени Эмануэля РАН создали и протестировали технологический прототип «лаборатории на чипе». Устройство размером в несколько сантиметров анализирует характеристики крови и выдает диагноз. Тестовый образец уже способен диагностировать инфаркт. По мнению экспертов, при успехе клинических испытаний новая технология может изменить всю систему российской медицины.

Как рассказали «Известиям» в ФПИ, макетный образец сенсора в ходе испытаний показал хорошие результаты.

В ноябре успешно завершен первый этап проекта ФПИ по созданию «лабораторий на чипе», - рассказали в пресс-службе фонда. - Прототип прошел испытания. Проверена правильность выбранных технологических решений, подтверждены основные характеристики.

Цель проекта - диагностика заболеваний в условиях отсутствия специализированных лабораторий, например в труднодоступных горных районах или на Крайнем Севере, на кораблях и судах ВМФ во время походов, в ходе выполнения вооруженными силами операций вдали от основных войск. Рассматриваются перспективы применения такого устройства экипажами космических станций.

Пациента или взятые у него пробы не придется доставлять в медицинские центры. Диагностику можно будет провести на месте.

Устройство состоит из планшета, на который выводятся результаты сканирования, и оптического биосенсора. Внешний вид и технические характеристики новинки ФПИ не раскрывает. Но общий принцип работы таких систем известен. Биологическая жидкость наносится на сенсор, состоящий из пропускающей свет прозрачной основы и отражающего покрытия. Специальное устройство пропускает свет через сенсор. Проводится анализ характеристик отраженных лучей.

В случае успеха проекта система позволит провести диагностику по одной капле крови в течение нескольких минут. Прототип способен, например, определять в исследуемом образце маркеры острого инфаркта миокарда. В будущем можно будет анализировать до 50–100 параметров крови. Это даст информацию о заболеваниях, связанных с обменными и воспалительными процессами, о состоянии иммунитета.

Как пояснил «Известиям» руководитель проекта ФПИ Федор Арсеньев, в перспективе могут быть созданы биосенсоры для размещения внутри организма.

– Основная проблема в том, что искусственная система в отличие от естественной в организме не обновляется, - рассказал Федор Арсеньев. - Если будет найдено решение этой проблемы, мы получим имплантируемые биосенсоры. Они будут способны эффективно мониторировать состояние здоровья человека на протяжении всей его жизни.

По словам директора Института персонализированной медицины Сеченовского университета Филиппа Копылова, реализация задуманного участниками проекта означает революцию в диагностике.

Если это заработает, упростится вся система здравоохранения. Это конечно, будет серьезнейший прорыв, - рассказал «Известиям» Филипп Копылов. - Возможность за несколько минут поставить диагноз позволит оперативно направлять пациента в нужное место для лечения. Сегодня для определения диагноза его нередко гоняют по кругу, собирая всевозможные анализы. Но сначала нужно удостовериться в эффективности технического решения, провести клинические испытания на большом количестве людей.

Работы по созданию «лаборатории на чипе» начаты ФПИ весной 2016 года. Для этого в Институте биохимической физики имени Эмануэля РАН была создана специализированная лаборатория.

Усовершенствованную версию чипа для сортировки форменных элементов крови. Новая модель не просто лучше отделяет лейкоциты и точнее подсчитывает их число, но и сохраняет белые кровяные клетки неповреждёнными. Это открывает широкие перспективы как для клинических экспресс-анализов, так и для медицинских исследований с чистыми клеточными фракциями.

С общего анализа крови начинается практически любая диагностика. По его результатам можно сузить число предполагаемых заболеваний со сходной симптоматикой и распознать многие патологические состояния. В современных медицинских лабораториях крупных городов подсчёт числа форменных элементов крови и определение её показателей максимально автоматизированы.

Однако такое диагностическое оборудование довольно дорого, и его не в силах приобрести клиники развивающихся стран, где распространённость и длительность течения заболеваний выше. Это приводит к несвоевременному оказанию медицинской помощи, увеличению числа хронически больных и способствует формированию стойких эпидемических очагов.

Частично решить проблему может исследовательская программа “лаборатория на чипе”, о которой “Компьютерра” уже ранее. Одной из задач данной инициативы является разработка надёжных и доступных методов автоматизированной экспресс-диагностики.

Специалисты MIT долгое время работали над чипом, который смог бы не только сортировать и подсчитывать форменные элементы крови без громоздкого и дорогостоящего оборудования, но и выделять из образца клетки одного вида.

Созданный чип выполняет всю работу буквально в один проход, довольствуясь микроскопическими количествами крови. Секрет его эффективности разработчики объясняют тем, что им удалось использовать технологии биомимикрии – подражания процессам в живых системах.

В норме определённое число лейкоцитов постоянно присутствует в крови человека. При возникновении воспаления они проникают в поражённую ткань, покидая кровеносное русло через поры сосудов. Направление перемещения задаётся присутствием сигнальных молекул – аттрактантов.

Чип использует схожий механизм фильтрации, имитируя в пористом материале микроканала эндотелиальные щели и маркерные вещества, активирующие хемотаксис. В частности, применяется белок P-селектин (CD62P), участвующий в слабой адгезии нейтрофильных лейкоцитов.

У прежней модели, созданной в 2012 году, P-селектин размещался на вытравленных в канале гребнях. Лейкоциты обратимо связывались с ними и увлекались в отдельные ответвления. Несмотря на высокую пропускную способность чипа, в нём происходили нежелательные эффекты перемешивания, что делало его непригодным для аналитической работы.

Спустя год два исследователя предложили новый дизайн чипа. Вместо травления микрогребней они взяли тончайшие золотые полоски. Их расположили по диагонали к потоку образца крови, разместив вдоль всей поверхности P-селектин.

На видео ниже показано, как за счёт слабой адгезии нейтрофильные лейкоциты двигаются вдоль золотых полосок, в то время как остальные форменные элементы крови перемещаются хаотично в общем потоке.

Проанализировав результаты серии экспериментов, авторы исследования разработали математическую модель для расчёта оптимального расположения адгезивных полос. Последняя версия чипа позволяет захватить из образца крови более 99 процентов лейкоцитов. Это отличный результат, особенно если учесть, что встречаются они в тысячу раз реже, чем эритроциты.

После прохождения через канал чипа все лейкоциты плавно перетекают через искусственные поры строго определённого размера, оставаясь целыми и функциональными.

Дальнейшая работа ведётся в направлении интеграции созданных микрочипов в портативные диагностические приборы. С их помощью в регионах развивающихся стран планируется регулярно выполнять экспресс-анализы крови. На первом этапе будут определяться простейшие признаки воспалительных заболеваний, такие как повышение числа лейкоцитов и нарушение их связывания с P-селектином.

Последняя ситуация характерна для сепсиса, при котором, помимо инфекционного агента, в кровь попадает большое количество интерлейкинов и медиаторов воспаления. Данные изменения состава крови были сымитированы в лабораторных условиях. Во всех изменённых образцах наблюдалось резкое снижение процента захваченных чипом лейкоцитов. Таким образом, число оставшихся после прохождения чипа свободных лейкоцитов служит надёжным диагностическим признаком и позволяет оценить степень тяжести заболевания.

Для лабораторной диагностики с использованием созданного чипа достаточно в несколько раз меньшего количества крови пациента, чем требуется сегодня в любом другом методе. Речь идёт буквально о сотых долях миллилитра. Поэтому одним из плюсов “лаборатории-на-чипе” исследователи называют возможность её внедрения в педиатрическую практику, где требуются более высокая частота контроля и максимально атравматичные процедуры.