eng
Выпуск #6/2015
С.Абрамчук, А.Ахметова, Л.Кордюкова, О.Синицына, Д.Яминский, И.Яминский
Сенсорные технологии молекулярной диагностики для персонифицированной медицины
Сенсорные технологии молекулярной диагностики для персонифицированной медицины
Просмотры: 4749
Важнейшая задача современной медицины состоит в разработке прецизионных методов и аппаратуры раннего обнаружения вирусных и бактериальных патогенов с помощью физических методов с необходимой чувствительностью. К таким методам относятся технологии микрокантилеверных биосенсоров и сканирующей зондовой микроскопии.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.64.68
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.64.68
Теги: biosensors cantilevers medical diagnostics scanning probe microscopy viruses биосенсоры вирусы кантилеверы медицинская диагностика сканирующая зондовая микроскопия
Инфекционные болезни на протяжении многих столетий были и остаются наиболее опасными для человеческого организма из-за их способности поражать большое число здоровых людей в течение короткого периода времени. На протяжении обозримой истории наибольшим бичом для человечества были чума, оспа, холера и желтая лихорадка, которые унесли жизни множества людей.
Совместные усилия врачей многих стран позволили достичь впечатляющих результатов. Число смертных случаев от кори во всем мире уменьшилось с 2,5 млн. в 1983 году до 1,1 млн. в 1992 году, от полиомиелита за тот же период – с 360 тыс. до 140 тыс. Ожидалось, что полиомиелит будет уничтожен в большинстве стран к 1995 году, однако из-за существенного удорожания иммунизации, в странах Юго-Восточной Азии эта инфекция пока не уничтожена. Малярия по-прежнему наносит ощутимый ущерб человечеству, унося из жизни от 1 млн. до 2 млн. людей каждый год.
Несмотря на улучшение условий жизни в экономически развитых странах, широко распространенную практику прививок и наличие эффективных антибиотиков, инфекционные болезни занимают значительное место в структуре заболеваемости и смертности человека, уступая лишь болезням сердечно-сосудистой системы и злокачественным онкологическим заболеваниям. В развивающихся жарких странах из-за плохих санитарных условий и недоедания инфекционные болезни убивают более 10 млн людей каждый год. Большинство смертных случаев среди детей приходятся на инфекционные болезни органов дыхания и кишечника, вызванные вирусами и бактериями. Высокая иммиграция населения из стран "третьего мира" привела в промышленно развитых государствах к резкому увеличению числа лиц, страдающих инфекционными болезнями. При этом, периодически выявляются новые заболевания.
Современный практикующий врач должен уметь грамотно определять тактику диагностики, лечения и противоэпидемических мер. В связи с этим актуальны разработки, обеспечивающие упрощение и ускорение диагностики вирусов, которые позволяют оперативно поставить диагноз пациенту и начать лечение.
Компания "Центр перспективных технологий" и МГУ им. М.В.Ломоносова реализуют проект, нацеленный на дальнейшее развитие высокочувствительных физических методов обнаружения вирусных частиц в воздушной среде и в жидкостях. Разработаны методы, основанные на детекции вирусов без использования дополнительных меток, что позволяет уменьшить как количество стадий пробоподготовки, так и общее время обнаружения инфекций [1].
Создание высокотехнологичного производства биосенсоров для ранней диагностики позволит выявлять инфекции на ранней стадии всего за 5 мин. Мобильность таких сенсоров упрощает диагностику и дает толчок для развития самодиагностики. В перспективе, при помощи высокоскоростного зондового микроскопа, адаптируя прибор под разные задачи, можно определять небольшие утечки газа, чистоту питьевой воды, массу вируса или бактериальной клетки и даже отдельного атома, обеспечивать контроль лекарств, выявлять допинг и антитела.
В настоящее время развивается лабораторная диагностика вирусных инфекций. Для обнаружения вирусов используются следующие методы:
• электронная микроскопия (рис.1), которая обеспечивает чувствительность на уровне 1 млн. частиц в одном миллилитре, и не всегда позволяет типировать вирусы, а также предполагает использование дорогостоящего оборудования;
• реакция иммунофлуоресценции, которая может успешно применяться для прямой детекции вирусов только при содержании в клиническом материале достаточно большого числа инфицированных клеток и незначительной контаминации микроорганизмами, вызывающими неспецифическое свечение;
• иммуноферментный анализ, предполагающий несколько стадий пробоподготовки;
• радиоиммунный анализ, требующий использования радиоактивных веществ и дорогостоящих гамма-счетчиков;
• ПЦР в реальном времени, которая обеспечивает высокую специфичность реакции за счет использования высокоспецифичных флуоресцентных зондов и позволяет проводить количественный анализ;
• реакция торможения гемагглютинации, позволяющая проводить оценку активности вируса, но для нее необходимы клеточные культуры и эритроциты.
Перечисленные методы развиваются, однако их применение в индивидуальных портативных системах затруднено, поскольку все они требуют далеко не компактного лабораторного оборудования.
Задачей раннего обнаружения вирусной инфекции занимается большое число университетов, научных центров и коммерческих компаний. Это обусловлено чрезвычайной важностью решаемой проблемы. Результаты систематического анализа деятельности мировых центров в области диагностики вирусов представлены на сайте http://www.virology.net/garryfavweb.html, где приведен список из более 60 центров в США, Великобритании, Германии, России и других странах. Следуя девизу "Преврати конкурента в эффективного партнера", в рамках российского и международного сотрудничества авторами установлена научная кооперация со следующими организациями: кафедра вирусологии Шотландского научно-исследовательского института урожая, Данди (проф. М.Тальянский); Имперский колледж Лондона (проф. Ю.Корчев); медицинский центр университета Небраски, Омаха (проф. Ю.Любченко); Центр нанотехнологий Вестфальского университета, Мюнстер (проф. Л.Хайнрих); Институт фармацевтической и медицинской химии Вестфальского университета (проф. М.Дюфер); Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов, Москва (проф. А.Гамбарян); НИИ гриппа Минздрава РФ, Санкт-Петербург (проф. А.Сомина); НИИ вирусологии, Москва (проф. Ю.Смирнов); кафедра вирусологии МГУ им. М.В.Ломоносова (академик И.Атабеков, проф. О.Карпова); кафедра энзимологии МГУ им. М.В.Ломоносова (академик А.Егоров); Институт биомедицинской химии, Москва (академик А.Арчаков, проф. Ю.Иванов); НИИ физико-химической медицины, Москва (в.н.с. Д.Клинов); LG Electonics, Сеул (д-р К.Квак); Корейский институт науки и технологии, Сеул (д-р С.К.Ким).
Авторы развивают следующие методы обнаружения вирусов в воздушной атмосфере, водной среде и биологических средах:
• сканирующая зондовая микроскопия;
• высокодобротные механические резонаторы;
• современные высокочувствительные камеры.
Сканирующая зондовая микроскопия перспективна в качестве инструмента прямой визуализации сорбции вирусов на сенсорных поверхностях (рис.2). При этом могут быть усовершенствованы режимы измерений для уменьшения воздействия со стороны зонда на исследуемые объекты. Сверхскоростная сканирующая микроскопия с использованием видеорежима при частоте выборки в 1 МГц позволяет существенно сократить время измерений. Зондовая микроскопия перспективна как метрологическое средство контроля всех стадий изготовления биосенсорного элемента, а также для оценки работоспособности такого элемента при проведении экспериментальных измерений. Дополнительный контроль качества биосенсорного элемента проводится методами сканирующей и электронной микроскопии.
Высокодобротные механические резонаторы являются перспективными системами для измерения присоединенной массы при адсорбции вирусов, а также для регистрации изменения поверхностной жесткости рецепторного слоя при установлении биоспецифического взаимодействия между гемагглютинином вируса и сиаловыми кислотами, расположенными на поверхности биосенсорного элемента [1]. Уже разработана аппаратура атомных весов, которая в модельных экспериментах позволяет проводить регистрацию прикрепленной массы на воздухе (или вакууме) на уровне 10 аттограмм. Масса вируса гриппа А примерно в 500–100 раз больше. Однако, детекцию вирусных частиц надо проводить в жидких средах, что существенно (на несколько порядков) понижает чувствительность измерения прикрепленной массы. В результате, при имеющейся геометрии механического микрорезонатора необходимая чувствительность не достигается. Для ее повышения по обнаружению вирусов в жидких средах нами выработано решение по миниатюризации микрорезонатора с возбуждением продольных и/или поверхностных мод колебаний, демпфирование которых в жидких средах незначительно [2].
Современные высокочувствительные камеры позволяют регистрировать релеевское рассеяние от одиночных вирусных частиц, что дает возможность следить за их положением в пространстве и записывать траекторию их движения.
В созданной авторами новой лабораторной установке для медицинской диагностики совмещены все три метода: зондовая микроскопия, микрорезонаторная регистрация и релеевское рассеяние от вирусных частиц в единый измерительный комплекс с уникальными возможностями по многопараметрическому изучению кинетики сорбции вирусов.
Авторы выражают благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку (проект 15-4-07678).
Литература
1. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Dubrovin E.V. Yaminsky I.V. // Synthetic sialylglycopolymer receptor for virus detection using cantilever-based sensors // Analyst. 2015 (140). РР. 6131–6137.
2. Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. // Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // Наноиндустрия. 2015. № 4(58). С. 62–67.
Совместные усилия врачей многих стран позволили достичь впечатляющих результатов. Число смертных случаев от кори во всем мире уменьшилось с 2,5 млн. в 1983 году до 1,1 млн. в 1992 году, от полиомиелита за тот же период – с 360 тыс. до 140 тыс. Ожидалось, что полиомиелит будет уничтожен в большинстве стран к 1995 году, однако из-за существенного удорожания иммунизации, в странах Юго-Восточной Азии эта инфекция пока не уничтожена. Малярия по-прежнему наносит ощутимый ущерб человечеству, унося из жизни от 1 млн. до 2 млн. людей каждый год.
Несмотря на улучшение условий жизни в экономически развитых странах, широко распространенную практику прививок и наличие эффективных антибиотиков, инфекционные болезни занимают значительное место в структуре заболеваемости и смертности человека, уступая лишь болезням сердечно-сосудистой системы и злокачественным онкологическим заболеваниям. В развивающихся жарких странах из-за плохих санитарных условий и недоедания инфекционные болезни убивают более 10 млн людей каждый год. Большинство смертных случаев среди детей приходятся на инфекционные болезни органов дыхания и кишечника, вызванные вирусами и бактериями. Высокая иммиграция населения из стран "третьего мира" привела в промышленно развитых государствах к резкому увеличению числа лиц, страдающих инфекционными болезнями. При этом, периодически выявляются новые заболевания.
Современный практикующий врач должен уметь грамотно определять тактику диагностики, лечения и противоэпидемических мер. В связи с этим актуальны разработки, обеспечивающие упрощение и ускорение диагностики вирусов, которые позволяют оперативно поставить диагноз пациенту и начать лечение.
Компания "Центр перспективных технологий" и МГУ им. М.В.Ломоносова реализуют проект, нацеленный на дальнейшее развитие высокочувствительных физических методов обнаружения вирусных частиц в воздушной среде и в жидкостях. Разработаны методы, основанные на детекции вирусов без использования дополнительных меток, что позволяет уменьшить как количество стадий пробоподготовки, так и общее время обнаружения инфекций [1].
Создание высокотехнологичного производства биосенсоров для ранней диагностики позволит выявлять инфекции на ранней стадии всего за 5 мин. Мобильность таких сенсоров упрощает диагностику и дает толчок для развития самодиагностики. В перспективе, при помощи высокоскоростного зондового микроскопа, адаптируя прибор под разные задачи, можно определять небольшие утечки газа, чистоту питьевой воды, массу вируса или бактериальной клетки и даже отдельного атома, обеспечивать контроль лекарств, выявлять допинг и антитела.
В настоящее время развивается лабораторная диагностика вирусных инфекций. Для обнаружения вирусов используются следующие методы:
• электронная микроскопия (рис.1), которая обеспечивает чувствительность на уровне 1 млн. частиц в одном миллилитре, и не всегда позволяет типировать вирусы, а также предполагает использование дорогостоящего оборудования;
• реакция иммунофлуоресценции, которая может успешно применяться для прямой детекции вирусов только при содержании в клиническом материале достаточно большого числа инфицированных клеток и незначительной контаминации микроорганизмами, вызывающими неспецифическое свечение;
• иммуноферментный анализ, предполагающий несколько стадий пробоподготовки;
• радиоиммунный анализ, требующий использования радиоактивных веществ и дорогостоящих гамма-счетчиков;
• ПЦР в реальном времени, которая обеспечивает высокую специфичность реакции за счет использования высокоспецифичных флуоресцентных зондов и позволяет проводить количественный анализ;
• реакция торможения гемагглютинации, позволяющая проводить оценку активности вируса, но для нее необходимы клеточные культуры и эритроциты.
Перечисленные методы развиваются, однако их применение в индивидуальных портативных системах затруднено, поскольку все они требуют далеко не компактного лабораторного оборудования.
Задачей раннего обнаружения вирусной инфекции занимается большое число университетов, научных центров и коммерческих компаний. Это обусловлено чрезвычайной важностью решаемой проблемы. Результаты систематического анализа деятельности мировых центров в области диагностики вирусов представлены на сайте http://www.virology.net/garryfavweb.html, где приведен список из более 60 центров в США, Великобритании, Германии, России и других странах. Следуя девизу "Преврати конкурента в эффективного партнера", в рамках российского и международного сотрудничества авторами установлена научная кооперация со следующими организациями: кафедра вирусологии Шотландского научно-исследовательского института урожая, Данди (проф. М.Тальянский); Имперский колледж Лондона (проф. Ю.Корчев); медицинский центр университета Небраски, Омаха (проф. Ю.Любченко); Центр нанотехнологий Вестфальского университета, Мюнстер (проф. Л.Хайнрих); Институт фармацевтической и медицинской химии Вестфальского университета (проф. М.Дюфер); Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов, Москва (проф. А.Гамбарян); НИИ гриппа Минздрава РФ, Санкт-Петербург (проф. А.Сомина); НИИ вирусологии, Москва (проф. Ю.Смирнов); кафедра вирусологии МГУ им. М.В.Ломоносова (академик И.Атабеков, проф. О.Карпова); кафедра энзимологии МГУ им. М.В.Ломоносова (академик А.Егоров); Институт биомедицинской химии, Москва (академик А.Арчаков, проф. Ю.Иванов); НИИ физико-химической медицины, Москва (в.н.с. Д.Клинов); LG Electonics, Сеул (д-р К.Квак); Корейский институт науки и технологии, Сеул (д-р С.К.Ким).
Авторы развивают следующие методы обнаружения вирусов в воздушной атмосфере, водной среде и биологических средах:
• сканирующая зондовая микроскопия;
• высокодобротные механические резонаторы;
• современные высокочувствительные камеры.
Сканирующая зондовая микроскопия перспективна в качестве инструмента прямой визуализации сорбции вирусов на сенсорных поверхностях (рис.2). При этом могут быть усовершенствованы режимы измерений для уменьшения воздействия со стороны зонда на исследуемые объекты. Сверхскоростная сканирующая микроскопия с использованием видеорежима при частоте выборки в 1 МГц позволяет существенно сократить время измерений. Зондовая микроскопия перспективна как метрологическое средство контроля всех стадий изготовления биосенсорного элемента, а также для оценки работоспособности такого элемента при проведении экспериментальных измерений. Дополнительный контроль качества биосенсорного элемента проводится методами сканирующей и электронной микроскопии.
Высокодобротные механические резонаторы являются перспективными системами для измерения присоединенной массы при адсорбции вирусов, а также для регистрации изменения поверхностной жесткости рецепторного слоя при установлении биоспецифического взаимодействия между гемагглютинином вируса и сиаловыми кислотами, расположенными на поверхности биосенсорного элемента [1]. Уже разработана аппаратура атомных весов, которая в модельных экспериментах позволяет проводить регистрацию прикрепленной массы на воздухе (или вакууме) на уровне 10 аттограмм. Масса вируса гриппа А примерно в 500–100 раз больше. Однако, детекцию вирусных частиц надо проводить в жидких средах, что существенно (на несколько порядков) понижает чувствительность измерения прикрепленной массы. В результате, при имеющейся геометрии механического микрорезонатора необходимая чувствительность не достигается. Для ее повышения по обнаружению вирусов в жидких средах нами выработано решение по миниатюризации микрорезонатора с возбуждением продольных и/или поверхностных мод колебаний, демпфирование которых в жидких средах незначительно [2].
Современные высокочувствительные камеры позволяют регистрировать релеевское рассеяние от одиночных вирусных частиц, что дает возможность следить за их положением в пространстве и записывать траекторию их движения.
В созданной авторами новой лабораторной установке для медицинской диагностики совмещены все три метода: зондовая микроскопия, микрорезонаторная регистрация и релеевское рассеяние от вирусных частиц в единый измерительный комплекс с уникальными возможностями по многопараметрическому изучению кинетики сорбции вирусов.
Авторы выражают благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку (проект 15-4-07678).
Литература
1. Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Kiselev G.A., Kolesov D.V., Dubrovin E.V. Yaminsky I.V. // Synthetic sialylglycopolymer receptor for virus detection using cantilever-based sensors // Analyst. 2015 (140). РР. 6131–6137.
2. Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. // Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // Наноиндустрия. 2015. № 4(58). С. 62–67.
Отзывы читателей
