Благодаря своей высокой точности лабораторное тестирование полимеразной цепной реакции (ПЦР) является золотым стандартом диагностики инфекционных заболеваний. Однако технология ПЦР требует высококвалифицированного персонала и дорогостоящего оборудования, что затрудняет ее доступность, особенно в условиях ограниченных ресурсов. Новые исследования показывают, что другой вид теста может быть более рационализированным без ущерба для производительности.

Разработанная исследователями из Университета Коннектикута платформенная технология использует методы, схожие с ПЦР-тестированием, но в рамках одного портативного устройства, а не нескольких настольных машин.

В исследовании , опубликованном в Advanced Science , авторы обнаружили, что инструмент может обнаруживать два вируса, ВИЧ и SARS-CoV-2, на том же уровне производительности, что и ПЦР-тестирование. Благодаря преимуществам в стоимости, скорости и портативности по сравнению с традиционными методами, новая технология может сделать мощную диагностику инфекционных заболеваний более распространенной.

«Как мы узнали во время пандемии, надежная и удобная диагностика играет важную роль в борьбе с распространением инфекционных заболеваний», — сказала Тиффани Лэш, доктор философии, директор программы в Отделении технологий медицинской информатики Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB).

«Подобные инновации, которые обеспечивают проведение дополнительных высокочувствительных и точных тестов в местах оказания медицинской помощи, могут стать бесценными инструментами для быстрой диагностики ряда инфекционных заболеваний».

Некоторые из наиболее распространенных тестов на инфекционные заболевания обнаруживают либо вирусный материал, называемый антигенами, либо белки, вырабатываемые иммунной системой в ответ на инфекцию, известные как антитела. Несмотря на надежность, скорость и широкую доступность этих тестов, которые включают в себя ныне распространенные экспресс-тесты на антиген COVID-19, ПЦР-тестирование по-прежнему имеет преимущество с точки зрения точности, которая может составлять почти 100%.

Сила технологии ПЦР как диагностического инструмента заключается в ее способности напрямую обнаруживать генетический материал , такой как РНК, патогенов. Этот подход обеспечивает большую специфичность, то есть он менее склонен ошибочно принимать непатогенные частицы за мишень и давать ложноположительный результат. Тестирование ПЦР также усиливает искомую мишень, делая ее чувствительной к меньшим количествам патогенного материала, то есть даже низкий уровень инфекции может быть обнаружен.

На сегодняшний день пациентам и поставщикам медицинских услуг часто приходится выбирать между технологиями, которые легко доступны и просты в использовании, и технологиями с высокой производительностью. Чанчунь Лю, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии в Университете Коннектикута, и его коллеги стремились разрушить эту дихотомию.

Соответствие золотому стандарту
Предложенное командой решение — это лаборатория в магнитно-жидкостной трубке (LIAMT) — устройство, состоящее из 1,5-миллилитровой трубки, содержащей 3D-печатную вставку и беспроводной ручной процессор. В то время как ПЦР-тестирование предполагает использование нескольких настольных машин, LIAMT — это портативный универсальный магазин, который выполняет аналогичные процессы.

Ключевые различия позволяют радикально сократить аппаратное обеспечение и упростить обучение пользователей, объяснил Лю. Одно из основных отличий заключается в том, как LIAMT изолирует генетический материал из биологических образцов .

Устройство LIAMT использует магнитные шарики для переноса нуклеиновых кислот через пять зон, что облегчает изоляцию, усиление и обнаружение сигнала целевых нуклеиновых кислот. Кредит: Ziyue Li. Из Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202310066
В то время как традиционные методы основаны на использовании быстровращающихся машин, называемых центрифугами, для отделения более легких нуклеиновых кислот от остальной части образца, LIAMT использует магнетизм.

Крошечные магнитные шарики внутри трубки прилипают к вирусной РНК в образце посредством притяжения электрических зарядов на молекулах. Затем, после того как пользователь помещает трубку в ручной процессор, магнит внутри устройства протягивает связанные с РНК шарики через несколько этапов промывки в трубке, отфильтровывая нежелательный материал.

После выделения генетического материала технология ПЦР копирует определенные участки генетического кода вируса миллионы и миллиарды раз, чтобы его было легче обнаружить. Этот шаг включает в себя множество циклов нагревания и охлаждения для облегчения разделения парных цепей нуклеиновых кислот и их последующего дублирования, что требует специального оборудования для термоциклирования.

Вместо этого LIAMT использует новейшую альтернативу ПЦР, которая использует специальные белки, способные расщеплять и амплифицировать цепи нуклеиновых кислот при низкой и постоянной температуре.

После амплификации беспроводное устройство LIAMT нагревает образец на несколько градусов, расплавляя восковой барьер в пробирке и высвобождая раствор ферментов CRISPR, что приводит к излучению флуоресцентного сигнала после связывания с целью.

Если в исходном образце присутствовало достаточное количество вирусной РНК, то этот сигнал можно увидеть через небольшое окошко в устройстве LIAMT, что указывает на положительный результат теста.

Освободившись от бремени центрифуги и термоциклера, портативный LIAMT может использоваться в клинике или дома. Диагностический инструмент также может выдавать результаты примерно за час, что намного быстрее, чем обычно требуется для ПЦР-тестирования, поскольку в местах проведения тестов часто нет необходимого оборудования (то есть образцы необходимо отправлять за пределы места проведения анализа).

Однако разработка доступного устройства была лишь половиной дела. Ему также нужно было выстоять против технологии ПЦР.

Для проверки своего диагностического инструмента исследователи получили 32 образца мазков от пациентов, прошедших тестирование на SARS-CoV-2, и 41 образец плазмы крови от пациентов, прошедших тестирование на ВИЧ. Они использовали как LIAMT, так и традиционный ПЦР-тест для поиска вирусной РНК в образцах и сравнили результаты.

Авторы исследования обнаружили, что чувствительность и специфичность LIAMT являются многообещающими для обоих вирусов. И при сравнении с методом ПЦР обозначения LIAMT относительно того, были ли образцы положительными или отрицательными, совпали для 29 из 32 образцов мазков и 40 из 41 образца плазмы.

Воодушевленный этими результатами, Лю стремится продолжить разработку платформы LIAMT, отточив ее производительность и удобство использования. Его особенно мотивирует возможность улучшения ухода за людьми с ВИЧ, которым часто необходимо проходить плановое тестирование для получения лечения, что подразумевает посещение больницы, забор крови и многодневное ожидание результатов.

«С помощью нашего устройства мы использовали объем, который можно получить из пальца, для быстрого получения точных результатов теста на ВИЧ. Пациенты могли сдавать эти тесты в местном центре оказания медицинской помощи или дома и быстрее получать необходимые им лекарства», — сказал Лю.