Ученые из петербургского университета ИТМО разработали новую методику обнаружения вирусных инфекций в организме человека. Предполагается, что по точности новый ДНК-робот не уступит современным ПЦР-тестам, но будет значительно проще в использовании – его можно будет применять самостоятельно в домашних условиях, как аптечные экспресс-тесты.
Эффективность нового высокочувствительного наноробота, состоящего из молекул ДНК, испытали на COVID-19. Но в будущем его научат выявлять и другие вирусы. Новый метод не уступает в точности ПЦР-диагностики, но при это не предполагает использования дорогих реагентов, высокотехнологичного оборудования и обученного персонала. Исследование проводилось в рамках государственной программы поддержки и развития университетов Минобрнауки «Приоритет-2030».
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) является одним из самых чувствительных методов молекулярной диагностики инфекционных болезней. Тем не менее, у него есть ряд ограничений. Например, анализ биологического материала проводится исключительно в лабораторных условиях на дорогостоящем оборудовании. При этом чувствительность «домашних» экспресс-тестов, которые приобретаются в аптеке, крайне низка, а вероятность ложноотрицательного результата довольно большая, если количество вируса в организме минимально.
Ученые химико-биологического кластера ИТМО решили разработать особую систему для определения наличия возбудителей болезней. Она должна быть простой в применении, как аптечный экспресс-тест, но по точности результата близка к ПЦР. Итогом работы стал наноробот, состоящий из молекул ДНК, который может быстро определить наличие вируса в биоматериале, например, взятом со стенок носа.
Вопрос цены
Геннадий Орлов, заместитель генерального директора по цифровому развитию ФГБУ СЗОНКЦ им. Л.Г. Соколова ФМБА России, знаком с результатами разработки ученых ИТМО. Он поясняет, что метод ПЦР определяет наличие РНК вируса благодаря увеличению количества копий РНК за счёт использования специальных биокатализаторов, которые сложно хранить. Отсюда его высокая стоимость. При этом традиционные методы определения наличия вирусных фрагментов имеют много ложноположительных срабатываний. Метод, разработанный учеными ИТМО, использующий ДНК-робота, находит последовательность РНК один раз и далее наращивает флуоресценцию, которая может быть измерена через час после нанесения биоматериала на тестовую пластину.
Робот включает 215 нуклеотидов (элементарных структурных единиц ДНК и РНК). К нему «прикреплены» четыре специальных «рычага», которые разработчики назвали «руки». Для анализа образеца на наличие вируса, в него нужно добавить раствор с днк-системой и флуоресцентный субстрат (вещество, способное светиться). Таким образом результат получится визуализировать. Такой робот сможет обнаружить инфекцию, даже если в биоматериале она будет содержаться в малом количестве.
Робот «ловит» вирусную РНК следующим способом. Он приближается к искомой нуклеиновой кислоте, разворачивает своими «руками» и прикрепляется к ней. В результате этих процессов происходит расщепление субстрата, которое можно увидеть с помощью спектрометра благодаря появлению холодного светового излучения. При этом, если в образце РНК вируса отсутствует, то и реакции, и сигнала тоже не будет.
Игра в четыре руки
Как поясняет Ахмед Эльдиб, первый автор исследования, аспирант химико-биологического кластера ИТМО, РНК имеет сложную свернутую структуру, которую сложно раскрутить только с помощью двух «рук». При этом четыре «руки», как выяснилось по итогам экспериментов по выявлению рибонуклеиновых кислот COVID-19, решают эту задачу гораздо точнее и быстрее. Важно, что метод работает при комнатной температуре, без использования дорогих реагентов и оборудования.
На следующем этапе проекта ученые планируют создать на основе разработанного метода удобную тест-систему для применения в домашних условиях, а также научить ДНК-роботов распознавать не только COVID-19, но и другие вирусы и онкомаркеры.
По словам Геннадия Орлова, разработка ученых ИТМО предполагает использование нового метода идентификации конкретных РНК и позволяет установитьми наличие в образцах вируса COVID-19 или любых других, а также раковых клеток. На первом этапе проекта был подготовлен прототип для массового тестирования в условиях медицинской организации. Было достигнуто время тестирования в три часа, затем ученые занимались его оптимизацией.
«Разработка очень перспективная и главное — простая, может применяться в домашних условиях. Команда специалистов уже подтвердила Концепцию проекта и сделала первые научные публикации его результатов. Так называемый MVP — «минимально жизнеспособный продукт» команда планирует получить к сентябрю следующего года. Ещё год понадобится на работу с улучшением характеристик продукта и анализ рынка, и год на окончательный дизайн продукта. То есть по плану готовый продукт появится примерно к концу 2025 года. В настоящее время специалисты занимаются подготовкой метода тестирования в простых домашних условиях. Когда человек наносит биоматериал на пластиковую пластину, добавляет реагенты, а затем через час фотографирует пластину камерой смартфона и специальная программа выдаёт результат. Что касается себестоимости данного метода, то даже сейчас при закупке материалов малыми партиями ее уже удалось снизить до крайне малых значений — 36 рублей, а при массовом тираже эта сумма может быть еще меньше. Многие медицинские организации заинтересует эта технология — она простая и имеет низкую себестоимость», — поясняет Геннадий Орлов.
Другие направления
В данный момент в ИТМО ведется много инновационных разработок в области медицины. Так, в сотрудничестве со специалистами-рентгенологами НМИЦ имени В. А. Алмазова, ученые университета разработали беспроводное, эргономичное, компактное устройство для сканирования молочных желез. MetaCoil — один из самых масштабных проектов ученых университета в области медицинской диагностики. Устройство позволит сделать раннюю МРТ-диагностику рака груди более доступной, а результаты, благодаря специализированному оборудованию, более точными.
Кроме того, ученые Университета ИТМО и петербургской компании ZERTAN разработали программное обеспечение для планирования операции по установке зубных имплантатов. С помощью нового ПО врачи смогут загружать в нейросеть снимки компьютерной томографии черепа и всего за три минуты получать готовую 3D-модель персонифицированной мембраны, необходимой для наращивания костной ткани на месте будущего имплантата. Сейчас в сложных клинических случаях на подобное моделирование может уйти несколько часов.
Наконец, ученые международного научного центра SCAMT разработали многофункциональный гибридный материал для повышения эффективности борьбы с заражениями после операций.
Новый материал состоит из двух компонентов: каркаса (натурального паутинного шелка, который для заживления ран использовали полинезийцы и древние греки) и наполнителя (углеродных точек — относительно нового класса наноматериалов, обладающего высокими флуоресцентными способностями). Медицинские подкожные швы из такого материала, позволяют в режиме реального времени отследить процесс заражения. При этом они не вредят человеку, находясь в организме, и со временем постепенно рассасываются.
Антонина Егорова.