Дежурная оптика: металинзы позволят определять инфекции быстрее ПЦР-теста
Российские ученые разрабатывают портативное диагностическое устройство, которое можно использовать для выявления вирусов прямо на месте оказания медицинской помощи. Сейчас самым быстрым методом определения возбудителя инфекции считается ПЦР-тест. Но этот способ требует проведения специалистами лабораторных исследований. Новый подход основан на использовании линзы тоньше человеческого волоса, с помощью которой можно буквально разглядеть отдельную молекулу — маркер того или иного вируса. По мнению экспертов, метод может оказаться очень эффективным, однако решающей для практического применения будет себестоимость такой диагностики.
Наноразмерная линза
Специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) ведут работу над созданием принципиально нового портативного диагностического устройства для выявления инфекций прямо на месте оказания медицинской помощи. Разработка потенциально сможет стать альтернативой используемому сейчас для быстрого определения возбудителя болезни ПЦР-теста и позволит проводить быстрый анализ вне лаборатории. В ней применяется так называемая металинза — сверхтонкий оптический элемент, который собирает световой сигнал от отдельных молекул и таким образом дает возможность медикам увидеть маркеры того или иного вируса. Ученые уже собрали первый опытный образец изобретения.
— При проведении ПЦР-теста необходимо химическими методами искусственно увеличить количество биомаркеров до таких объемов, чтобы потом можно было их детектировать классическими способами. Этот процесс называется амплификацией. Он проводится в лабораторных условиях и требует времени и определенных усилий от специалиста. Наше устройство сможет напрямую анализировать биоматериал пациента и за счет этого потенциально давать более быстрый результат при меньших финансовых затратах, — сказал ведущий научный сотрудник Лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ Александр Барулин.
Ведущий научный сотрудник Лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ Александр Барулин
Металинза — это оптический элемент, который использует метаматериалы для управления светом на наноуровне. В отличие от традиционных линз, которые изготавливаются из стекла или пластика и имеют простую геометрию, они состоят из множества расположенных на поверхности наноэлементов, которые могут изменять направление и свойства светового потока. Сейчас ученые используют элемент толщиной 600 нанометров. Это тоньше человеческого волоса. Возможности современных классических оптических технологий тоже позволяют видеть отдельные молекулы. Однако такое оборудование имеет большие размеры и не подходит для проведения анализов вне лаборатории, например у пациента дома.
Использование наноразмерной оптики может оказаться эффективным для решения этой проблемы. Ее функциональность сопоставима с классическими объективами, к тому же она будет в 2–4 раза дешевле, отмечают разработчики. Микросхема, в которую встроена линза, как и обычные схемы, сделана из кремния, поэтому ее будет легко совместить с отработанными технологиями электронного машиностроения.
Всё определит себестоимость
Конечная цель проекта — создать рабочую метаповерхность на чипе и внедрить его в переносной анализатор биологических материалов. Ученые уже проводят эксперименты с упрощенной версией чипа, который напоминает электронную микросхему, только вместо электронов по ней передаются фотоны света. Они подаются с помощью оптоволокна, а металинза фокусирует его таким образом, чтобы на исследуемую молекулу попадала мощная световая энергия. Затем молекула переизлучает свет в виде рассеяния или фотолюминесценции, который потом возвращается в устройство и обеспечивает высокое качество сигнала.
Перед началом работы устройства в пробу нужно будет добавить флуоресцентные метки.
Они свяжутся с вирусом, который врач захочет детектировать в ходе исследования, и будут легко заметны с помощью устройства. Обычно в этой роли используют антитела. Завершить создание прототипа функционального сенсора ученые рассчитывают к концу 2025 года.
— Научные исследования по экспресс-диагностике заболеваний ведутся уже более 10 лет. Разработка ученых МФТИ — один из способов решить проблему, ускорив постановку диагноза. В ее основе одно из направлений биосенсорики — сравнительно молодой научной области, которая занимается детектированием биоспецифических взаимодействий на основании изменений свойств наночастиц-носителей. Аналогичные сенсоры в перспективе можно использовать в экологии — для улавливания мелких частиц в воздухе или при работе в шахтах, — благодаря чему можно на раннем этапе выделить молекулы газов метана, которые потенциально могут привести к взрыву, — сказала доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники инженерной академии, директор центра НТИ «Фотоника» РУДН Светлана Агасиева.
По мнению врача-иммунолога Андрея Продеуса, основной характеристикой перспективного устройства для диагностики станет стоимость его использования.
— Если флуоресцентная метка, которая используется для диагностики, будет крепиться к антителу, то технология мало чем будет отличатся от имеющихся подходов с использованием красителей, которые применяют для визуализации с помощью обычных микроскопов с мощной оптикой. Тогда на первый план выйдет стоимость такого исследования и его рентабельность, — сказал он.
В работе обычного врача необходимость выявления конкретного вируса возникает достаточно редко, так как лечение будет отличатся от стандартных методов борьбы с ОРВИ, только если это вирус гриппа, добавил медик.
