Чип спешит на помощь: российский прибор ускорит поиск вирусов в воде
Российские ученые создали устройство, которое позволит ускорить и упростить анализ жидкости на наличие различного рода патогенов. Оно отделяет друг от друга вирусы и бактерии, а также концентрирует их в количестве, необходимом для дальнейших исследований. Использовать прибор сможет даже неподготовленный специалист — достаточно взять несколько миллилитров, например воды из реки, и отвезти устройство в лабораторию, где сразу можно будет приступить к определению вида патогенов. Прибор рассчитан на многоразовое использование: в конце каждого цикла работы система возвращается в первоначальное состояние. Эксперты считают, что новая разработка облегчит лабораторные исследования и пригодится для анализа воды и биологических жидкостей.
Удачно зачерпнули
Узнать о циркулирующих в районе опасных патогенах можно по анализу сточных вод. Однако взятие пробы — процесс непростой и небыстрый, он требует участия опытных специалистов и использования лабораторного оборудования. Вопросы, связанные с отслеживанием состава и качества воды, крайне актуальны и требуют новых подходов для упрощения и ускорения процесса.
Ученые и инженеры НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» (ФМН) МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» совместно с ИБХФ РАН разработали и протестировали устройство для автоматического разделения бактерий и вирусов в анализируемой пробе. Устройство представляет собой так называемый микрофлюидный чип — блок размерами меньше спичечного коробка, в котором организована сложная сеть микроканалов, вытравленных или отлитых в материале подложки.
Чтобы точно определить концентрацию и вид патогенов в образце, нужно сначала их отделить от других веществ и сконцентрировать. После этого можно будет обнаружить отдельные бактериальные клетки или другие частицы с гораздо большей достоверностью, уменьшить объем пробы и удалить вещества, препятствующие проведению аналитических реакций. Кроме того, это позволит значительно ускорить процесс за счет исключения некоторых специфичных стадий подготовки пробы.
Чип с шестью интегрированными мембранными клапанами выполнен из трех слоев доступного, биосовместимого и эластичного полимера. В качестве подложки использовали стекло.
— Наш чип спроектирован по типу слоеного пирога, причем каждый слой выполняет свою задачу, — пояснил аспирант НОЦ ФМН Виталий Рыжков. — Нижний предназначен для линий управления клапанами, средний состоит из тонкой эластичной мембраны — подвижного рабочего элемента клапанов, а в верхнем расположены микрофлюидные каналы с субмикронной шероховатостью для проведения операций с жидкими биологическими пробами. Для эффективного разделения патогенов мы использовали фильтрацию через поры размером не более 0,45 мкм, что в комплексе обеспечило повторяемость и скорость сепарации.
Надо — повторим
По словам разработчиков, сам метод не имеет аналогов. Одно из основных ноу-хау заключается в цикличной фильтрации отдельных порций пробы в автоматизированном режиме. По результатам эксперимента на чипе был выделен 81% бактерий. Это результат мирового уровня. Получить данные для пробы объемом до нескольких миллилитров можно всего за несколько минут. Важно, что в будущем использовать такую мини-лабораторию сможет даже неподготовленный человек.
— Каждый цикл состоит из трех основных этапов: микрофильтрация, удаление остатков пробы и промывка в обратном потоке, — рассказал директор НОЦ ФМН Илья Родионов. — На первом этапе работы чипа крупные частицы (бактерии) улавливаются фильтром, наслаиваясь слой за слоем, а мелкие частицы (вирусы) беспрепятственно проходят через него, поскольку диаметр пор фильтра больше, чем их размер. На втором этапе происходит очистка фильтрующего материала от оставшихся мелких частиц. Наконец, на третьем выполняется промывка фильтра обратным потоком и сбор бактерий.
Таким образом, в конце каждого цикла разделения микрофлюидная система приводится в исходное состояние и готова к анализу следующей порции пробы. В каждом цикле на выходных каналах получается фильтрат (вирусы) и концентрат (бактерии), которые затем могут обрабатываться или анализироваться раздельно.
Повысить эффективность сортировки и концентрирования микрочастиц удалось за счет уменьшения объема, смыва и реализации предложенных в работе алгоритмов обратной промывки. При этом удалось повысить скорость фильтрации без увеличения давления. Это важно для сохранения жизнеспособности бактерий и достоверности результатов анализа.
— Ключевая особенность описанного прототипа состоит в существенном упрощении методики разделения микрочастиц, находящихся в пробах воды или биологических жидкостей, по их размеру — пояснил директор по науке фонда «Без рек как без рук» Максим Платонов. — Эффективность своей разработки авторы продемонстрировали на примере отделения бактерий от вирусов и белков в плазме крови, что существенно повышает точность и чувствительность их последующего определения, например для диагностики заболеваний. Данный метод также можно применить и к образцам питьевой или природной воды, что позволит сократить время и повысить достоверность идентификации патогенных бактерий, выявить причины возможных отравлений и обеспечить более качественный мониторинг микробиологических загрязнений воды.
Как пояснил эксперт, в настоящее время для разделения микрочастиц в жидкостях используется несколько различных методов, однако все они предполагают проведение исследования в специально оборудованных лабораториях на дорогостоящем оборудовании и под управлением опытных специалистов. Возможность реализации данной процедуры в виде недорогого компактного устройства для клинических или даже полевых анализов очень перспективна.
Максим Платонов оценил новый прибор как качественную техническую инновацию с возможностью внедрения в практику рутинных лабораторных измерений.
По плану авторов разработки технология ляжет в основу портативных лабораторий на чипе для выявления широкого круга заболеваний на ранних стадиях, включая COVID-19, ротавирусы, энцефалит, бактериальные суперинфекции.
