За последние четыре года многие из нас привыкли брать мазок из носа для проверки на COVID-19, используя быстрые тесты на антиген в домашних условиях или более точные ПЦР-тесты, предоставляемые клиниками, с более длительным временем обработки. Теперь новый диагностический инструмент, разработанный заслуженным профессором электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Крусе Хольгером Шмидтом и его сотрудниками, может тестировать на SARS-CoV-2 и вирус Зика с той же или большей точностью, что и высокоточные ПЦР-тесты, за считанные часы. .
В новой статье журнала Труды Национальной академии наукШмидт и команда проекта описывают свою систему, которая сочетает в себе оптофлюидику и технологию нанопор для создания лабораторной диагностической системы на чипе. Успех команды с моделями животных вселяет надежду, что эта технология может стать важной инновацией для будущего быстрой диагностики.
«Это может превратиться в следующую большую диагностическую систему», — сказал Аарон Хокинс, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Университете Бригама Янга и старший автор статьи. «Вы заболеваете, идете в больницу или к врачу, и их анализы основаны на этой технологии. Есть путь, по которому это можно установить прямо здесь. [in a hospital or clinic]так что вам не придется ждать, чтобы получить результаты».
Это исследование является результатом многолетнего сотрудничества Шмидта, Хокинса и профессора Джин Паттерсон из Техасского института биомедицинских исследований.
Более быстрые и точные тесты
Хотя ПЦР-тестирование в настоящее время является золотым стандартом точности вирусологического тестирования, этот метод не соответствует требованиям по нескольким причинам. ПЦР-тесты очень сложны и требуют химических реакций, которые должны выполняться квалифицированными операторами, обычно в центральной лаборатории, и иногда на получение результатов тестирования уходит несколько дней. Эти сложные реакции необходимы для амплификации вирусной ДНК или РНК — процесса создания множества копий генетического материала, который может внести и усилить ошибки.
ПЦР-тесты также могут обнаружить только нуклеиновые кислоты, материал, из которого состоят ДНК и РНК. Но в случае некоторых заболеваний может оказаться невероятно полезным обнаружение других биомаркеров, например белков.
Новый диагностический инструмент решает обе эти проблемы. Он требует небольшой подготовки проб, полностью не требует амплификации и меток, что означает, что для идентификации биомаркеров не используется свет. Это значительно сокращает время и сложность процесса диагностики.
«Потенциал огромен», — сказал Паттерсон. «Идея о том, что вам не нужно проводить амплификацию для получения точных результатов, является огромным достижением, наряду с тем, что ПЦР была невероятным шагом вперед, когда она появилась».
Дизайн диагностики
Новая диагностическая система сочетает в себе область знаний Шмидта в области оптофлюидики, которая заключается в контроле крошечных количеств жидкостей с помощью лучей света, с нанопорами для подсчета отдельных нуклеиновых кислот для считывания генетического материала. Инструмент был разработан для тестирования на вирусы Зика и COVID-19, которые в последние годы стали особенно актуальными с медицинской точки зрения и являются приоритетными областями для Национальных институтов здравоохранения, которые финансировали это исследование.
«Мы создали простую систему «лаборатория на чипе», которая может выполнять тестирование на миниатюрном уровне с помощью микрофлюидики, кремниевых чипов и технологий обнаружения нанопор», — сказал Мохаммад Юлкер Нейен Сампад, аспирант Шмидта и первый автор статьи. автор. «Нашей целью была разработка простых, легких и малоресурсных инструментов — и я верю, что мы ее достигли».
Для проведения теста образец биожидкости смешивают в контейнере с магнитными микрошариками. Для этого исследования ученые использовали биожидкости, включая слюну и кровь павианов и мартышек из Техасского института биомедицинских исследований.
Микрогранулы разработаны с использованием последовательности РНК, соответствующей заболеванию, для обнаружения которого предназначен тест. Например, если это тест на выявление COVID-19, на микрогранулах будут нити РНК SARS-CoV-2. Если в образце присутствует вирус SARS-CoV-2, РНК вируса связывается с гранулами. После непродолжительного ожидания исследователь опускает магнитные шарики на дно контейнера и смывает все остальное.
Шарики помещаются в кремниевый микрофлюидный чип, разработанный и изготовленный группой Хокинса, где они проходят через длинный тонкий канал, покрытый ультратонкой мембраной, конструкцию которой Хокинс называет «инженерным чудом». Шарики попадают в луч света, который прижимает их к стенке канала, который содержит нанопору, крошечное отверстие диаметром всего 20 нанометров — для сравнения, ширина человеческого волоса составляет около 80 000–100 000 нанометров.
Исследователи прикладывают к чипу тепло, в результате чего частицы РНК отрываются от шариков и втягиваются в нанопоры, которые обнаруживают присутствие вирусной РНК.
Многообещающие результаты
Их испытания показали, что тест правильно обнаружил вирус для каждого образца, который удалось обнаружить с помощью ПЦР-теста, даже при чрезвычайно низких концентрациях вируса. Были случаи, когда тест ПЦР не мог обнаружить случай одного из вирусов, в то время как система Шмидта это делала, показывая, что их система может быть более точной, чем ПЦР.
В целом система микрофлюидики намного меньше и менее сложна, чем машина ПЦР. Если эта концепция будет выведена на рынок как продукт, ее компактный размер может легко поместиться в исследовательской лаборатории, что позволит гораздо быстрее получать результаты вирусологического тестирования, повысит доступность тестирования и сократит время получения результатов с дней до часов.
«Если мы создадим прибор на основе этой системы, исследователь сможет разместить его в лаборатории уровня биобезопасности 4, где он никогда не покидает комнату, и вы можете просто добавить немного образца жидкости и провести тест через час», – сказал Шмидт. «Я думаю, это поможет ускорить тестирование».
Тест проводился с шестью различными биожидкостями, включая слюну, кровь и мазки из горла, которые могут содержать различную вирусную нагрузку. Это может позволить исследователям лучше изучить, как болезни проходят через организм различных животных.
Хотя на текущем этапе тест разработан для обнаружения вирусов SARS-CoV-2 и Зика, исследователи могут внести коррективы, чтобы найти любой вирус, для которого у них есть генетический образец. В будущих разработках они планируют дальнейшее упрощение и минимизацию системы, а также предоставление ей возможности одновременно проверять несколько типов заболеваний — функция, называемая мультиплексированием заболеваний.
Шмидт также намерен использовать эту концепцию для разработки инструментов диагностики биомаркеров рака и других состояний здоровья, которые оставляют следы ДНК/РНК или белка в организме. Вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем эта концепция будет коммерциализирована и выведена на рынок.
2024-04-10 21:18:27
1712784957
#Новый #диагностический #инструмент #обеспечивает #точность #ПЦРтестов #благодаря #более #быстрой #простой #системе #нанопор
