eng
Выпуск #6/2020
И.В.Яминский, А.И.Ахметова
Цифровая платформа бионаноскопии на базе зондового микроскопа
Цифровая платформа бионаноскопии на базе зондового микроскопа
Просмотры: 2200
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.360.363
Цифровая платформа бионаноскопии может быть использована для решения широкого круга задач биологии и медицины. Ее возможности применимы для изучения остро стоящих проблем биологии и медицины: раннего обнаружения вирусов, резистентности бактерий к антибиотикам, вопросов топологии сетей нейронов.
Цифровая платформа бионаноскопии может быть использована для решения широкого круга задач биологии и медицины. Ее возможности применимы для изучения остро стоящих проблем биологии и медицины: раннего обнаружения вирусов, резистентности бактерий к антибиотикам, вопросов топологии сетей нейронов.
Теги: digital bionanoscopy platform scanning probe microscopy сканирующая зондовая микроскопия цифровая платформа бионаноскопии
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, вед. науч. сотр. ИНЭОС РАН, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.360.363
Получено: 29.09.2020 г.
В нашей научной группе разрабатывается экспериментальная платформа бионаноскопии на базе сканирующего зондового микроскопа и микролинзовой технологии, позволяющая проводить:
Платформа бионаноскопии дает возможность проводить исследования биологических объектов, детектировать вирусы, определять антибиотикорезистентность бактерий.
Сегодня существуют либо очень чувствительные (иммуноферментный анализ, ИФА или полимеразная цепная реакция, ПЦР) или быстрые методы детекции (иммунохроматографические полоски). Разрыв между высокочувствительными методами и экспресс-техниками составляет 100–10 000-кратные различия в пределе обнаружения вирусов [1–4].
В экспериментах по обнаружению вируса гриппа А нами используется сенсорная поверхность с биоспецифическим взаимодействием на основе оптимального зонда (антитела, аптамеры, синтетические рецепторы) для использования в проточной жидкостной ячейке. При выборе зонда учитываются следующие параметры: чувствительность, специфичность, время анализа, константа связывания, ложноположительные и ложноотрицательные результаты, долговечность, возможность регенерации. Контроль экспериментов проводится с помощью иммуноферментного и колориметрического анализов, ПЦР-диагностики. В экспериментах рассматривается возможность использования релеевского рассеяния света вирусными частицами как в процессе движения в потоке, так и при закреплении на сенсорной поверхности биочипа.
В экспериментах с бактериями используется метод деликатной иммобилизации клеток на сенсорной или модифицированной реагентами (полилизином, антителами) поверхности.
При этом задачей оптической и зондовой микроскопии является слежение за субмикронными колебаниями мембраны живых бактериальных клеток (или одиночной бактерии) и их изменениями (затуханием) под воздействием антибиотиков. Определение характера воздействия антибиотика на бактериальную клетку по существенному уменьшению характера осцилляций клеточной мембраны позволяет значительно сократить время проведения теста на антибиотик по сравнению с обычным тестом по наблюдению деления клеток и роста колоний. Метод регистрации осцилляций клетки позволяет сократить общее время тестирования до 20 мин и менее.
Платформа бионаноскопии направлена на изучение детальной структуры сетей из живых нейронов. Здесь нами предлагаются следующие подходы:
Особое внимание уделяется картине формирования контактов между дендритами, взаимодействию между синапсами, формированию и прохождению нервных импульсов по нейронной сети. Масштабное наблюдение нейронной сети осуществляется с помощью массива микролинз в то время, как детальная характеризация топографии дендритов и аксонов, картина прохождения сигналов будут проводиться с помощью атомно-силовой, капиллярной и электрохимической микроскопии. В случае капиллярной микроскопии используются многоканальные капилляры-зонды для одновременной регистрации топографии, измерения электрического потенциала и локальной доставки реагентов.
Разработанная платформа бионаноскопии дает возможность определить:
эффективность конструируемых рецепторных поверхностей к конкретному штамму вируса.
Демонстрация возможностей будет проведена на вирусе гриппа А и различных модельных растительных вирусах (вируса табачной мозаики, вируса картофеля и пр.);
устойчивость бактерий к антибиотику за время проведения теста длительностью не более 20 мин;
роль дендритных отростков нейрона в формировании нервных импульсов нейронной сети, связь их топологии с функциями нейронных сетей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 20-12-00389, и Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Chan K-H., To KKW, Chan JFW, Li CPY, Chen H., Yuen K-Y. Analytical sensitivity of seven point-of-care influenza virus detection tests and two molecular tests for detection of avian origin H7N 9 and swine origin H3N 2 variant influenza A viruses. J Clin Microbiol. (2013) 51: 3160–3161. https://doi.org/10.1128/ JCM.01222-13 PMID: 23784125.
Keitel K., Wagner N., Lacroix L., Manzano S., Gervaix A. Performance characteristics of a rapid immunochromatographic assay for detection of pandemic influenza A (H1N 1) virus in children. Eur J Pediatr. (2011) 170: 511–517. https://doi.org/10.1007/s00431-010-1326-0 PMID: 20938682.
Peters T.R., Blakeney E., Vannoy L., Poehling K.A. Evaluation of the limit of detection of the BD Veritor™ system flu A+B test and two rapid influenza detection tests for influenza virus. Diagn Microbiol InfectDis. (2013) 75: 200–202. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2012.11.004 PMID: 23219228.
Peng Y., Wu J., Liu X., Wang J., Li W. Evaluation of Wondfo influenza A&B fast test based on immunochromatography assay for rapid diagnosis of influenza A H1N 1. Braz J Infect Dis. (2013) 17: 247–250. https://doi.org/10.1016/j.bjid.2012.09.014 PMID: 23465599.
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z. & Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article, no. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Scanning capillary microscopy: promising methods and solutions // Medicine and High Technologies. (2020) No.2: 22–25.
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.6.360.363
Получено: 29.09.2020 г.
В нашей научной группе разрабатывается экспериментальная платформа бионаноскопии на базе сканирующего зондового микроскопа и микролинзовой технологии, позволяющая проводить:
- оптические наблюдения с разрешением вплоть до 40–50 нм и временным интервалом в доли миллисекунды;
- регистрацию топографии биологических объектов и их характерного движения в жидкости и на воздухе с разрешением в доли нанометра с временным разрешением на уровне долей миллисекунды;
- локальное воздействие химическими реагентами в область нанометрового размера с контролем за дозой препарата, при этом объем доставляемой дозы может доходить до уровня 10–15 мкл и менее;
- определение картины распределения электрического потенциала по поверхности объекта;
- наблюдение прохождения электрических сигналов вдоль выбранных траекторий.
Платформа бионаноскопии дает возможность проводить исследования биологических объектов, детектировать вирусы, определять антибиотикорезистентность бактерий.
Сегодня существуют либо очень чувствительные (иммуноферментный анализ, ИФА или полимеразная цепная реакция, ПЦР) или быстрые методы детекции (иммунохроматографические полоски). Разрыв между высокочувствительными методами и экспресс-техниками составляет 100–10 000-кратные различия в пределе обнаружения вирусов [1–4].
В экспериментах по обнаружению вируса гриппа А нами используется сенсорная поверхность с биоспецифическим взаимодействием на основе оптимального зонда (антитела, аптамеры, синтетические рецепторы) для использования в проточной жидкостной ячейке. При выборе зонда учитываются следующие параметры: чувствительность, специфичность, время анализа, константа связывания, ложноположительные и ложноотрицательные результаты, долговечность, возможность регенерации. Контроль экспериментов проводится с помощью иммуноферментного и колориметрического анализов, ПЦР-диагностики. В экспериментах рассматривается возможность использования релеевского рассеяния света вирусными частицами как в процессе движения в потоке, так и при закреплении на сенсорной поверхности биочипа.
В экспериментах с бактериями используется метод деликатной иммобилизации клеток на сенсорной или модифицированной реагентами (полилизином, антителами) поверхности.
При этом задачей оптической и зондовой микроскопии является слежение за субмикронными колебаниями мембраны живых бактериальных клеток (или одиночной бактерии) и их изменениями (затуханием) под воздействием антибиотиков. Определение характера воздействия антибиотика на бактериальную клетку по существенному уменьшению характера осцилляций клеточной мембраны позволяет значительно сократить время проведения теста на антибиотик по сравнению с обычным тестом по наблюдению деления клеток и роста колоний. Метод регистрации осцилляций клетки позволяет сократить общее время тестирования до 20 мин и менее.
Платформа бионаноскопии направлена на изучение детальной структуры сетей из живых нейронов. Здесь нами предлагаются следующие подходы:
- геометрическое совмещение массива микролинз [5] с областью расположения нейронов;
- обеспечение условий для полноценного функционирования и роста нейронной сети;
- инициирование передачи сигналов с помощью сканирующей капиллярной микроскопии [6] в результате локального химического воздействия медиатором и/или внешним импульсом (электрическим, электрохимическим, механическим).
Особое внимание уделяется картине формирования контактов между дендритами, взаимодействию между синапсами, формированию и прохождению нервных импульсов по нейронной сети. Масштабное наблюдение нейронной сети осуществляется с помощью массива микролинз в то время, как детальная характеризация топографии дендритов и аксонов, картина прохождения сигналов будут проводиться с помощью атомно-силовой, капиллярной и электрохимической микроскопии. В случае капиллярной микроскопии используются многоканальные капилляры-зонды для одновременной регистрации топографии, измерения электрического потенциала и локальной доставки реагентов.
Разработанная платформа бионаноскопии дает возможность определить:
эффективность конструируемых рецепторных поверхностей к конкретному штамму вируса.
Демонстрация возможностей будет проведена на вирусе гриппа А и различных модельных растительных вирусах (вируса табачной мозаики, вируса картофеля и пр.);
устойчивость бактерий к антибиотику за время проведения теста длительностью не более 20 мин;
роль дендритных отростков нейрона в формировании нервных импульсов нейронной сети, связь их топологии с функциями нейронных сетей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 20-12-00389, и Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Chan K-H., To KKW, Chan JFW, Li CPY, Chen H., Yuen K-Y. Analytical sensitivity of seven point-of-care influenza virus detection tests and two molecular tests for detection of avian origin H7N 9 and swine origin H3N 2 variant influenza A viruses. J Clin Microbiol. (2013) 51: 3160–3161. https://doi.org/10.1128/ JCM.01222-13 PMID: 23784125.
Keitel K., Wagner N., Lacroix L., Manzano S., Gervaix A. Performance characteristics of a rapid immunochromatographic assay for detection of pandemic influenza A (H1N 1) virus in children. Eur J Pediatr. (2011) 170: 511–517. https://doi.org/10.1007/s00431-010-1326-0 PMID: 20938682.
Peters T.R., Blakeney E., Vannoy L., Poehling K.A. Evaluation of the limit of detection of the BD Veritor™ system flu A+B test and two rapid influenza detection tests for influenza virus. Diagn Microbiol InfectDis. (2013) 75: 200–202. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2012.11.004 PMID: 23219228.
Peng Y., Wu J., Liu X., Wang J., Li W. Evaluation of Wondfo influenza A&B fast test based on immunochromatography assay for rapid diagnosis of influenza A H1N 1. Braz J Infect Dis. (2013) 17: 247–250. https://doi.org/10.1016/j.bjid.2012.09.014 PMID: 23465599.
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z. & Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article, no. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Scanning capillary microscopy: promising methods and solutions // Medicine and High Technologies. (2020) No.2: 22–25.
Отзывы читателей
