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

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Пул Ч.П. мл., Оуэнс Ф.Дж.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2015
С.Абрамчук, А.Ахметова, Л.Кордюкова, О.Синицына, Д.Яминский, И.Яминский
Сенсорные технологии молекулярной диагностики для персонифицированной медицины
Просмотры: 4907
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
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.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art