В ИТПЭ РАН разработали сенсорный элемент для экспресс-диагностики инфаркта миокарда

21 октября 1987 года в составе Института высоких температур РАН был создан научно-инженерный центр прикладных проблем электродинамики (НИЦ ППЭ), в целях расширения фундаментальных исследований в области электрофизики и электродинамики композитных материалов в соответствии с распоряжением Совета Министров СССР. За прошедшие годы НИЦ ППЭ был преобразован в Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ РАН). Основателем и многолетним руководителем центра и, в последствии, института являлся А.Н. Лагарьков. Директором Института в настоящее время является д.ф.-м.н. Владимир Николаевич Кисель, научным руководителем — академик РАН Андрей Николаевич Лагарьков.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Сегодня в нашем репортаже пойдет речь о Лаборатории «Технологии тонкопленочных структур и нанокомпозитов» ИТПЭ РАН, основными задачами которой являются исследования и разработки в области создания новых тонкоплёночных материалов с многоуровневой структурой, исследование фундаментальных основ создания наноструктурированных и наноразмерных систем, функционирующих в широком диапазоне электромагнитного излучения. Лаборатория также занимается разработкой специальных материалов и покрытий для элементов конструкции летательных аппаратов, разработкой функциональных материалов для сенсорных устройств, комплексной характеризацией тонкоплёночных материалов, созданием технологического оборудования и разработкой технологий для нанесения полимерных покрытий в вакууме.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Заведующий лабораторией — Рыжиков Илья Анатольевич, к.т.н., доцент. В лаборатории работают ученые и специалисты высокого класса, ведутся работы как в рамках Госзаказа, так и финансируемые по научным грантам и договорам с коммерческими структурами. Всего в лаборатории работает 19 сотрудников, из них 8 — кандидаты технических, физико-математических и химических наук. Пять из них подготовили диссертации по результатам, полученным на своих рабочих местах под руководством заведующего лабораторией. Молодые ученые приняли решение остаться работать в том же коллективе.

Надо подчеркнуть, что хотя главным стимулом для научного работника является возможность проводить работы на мировом уровне, обеспеченные соответствующим оборудованием и финансированием, не следует забывать и материальные моменты. Научные сотрудники института получают достойную зарплату, не только в соответствии с Указом Президента РФ, но и благодаря участию в прикладных НИОКР и различных грантах. В 2018 году трое молодых ученых лаборатории приобрели квартиры с использованием средств субсидий, выделяемых РАН. Сотрудники лаборатории преподают и руководят дипломными работами студентов на базовой кафедре института в МФТИ «Электродинамика сложных систем и нанофотоника». Заведует кафедрой научный руководитель института академик РАН Андрей Николаевич Лагарьков.

Более подробно мы остановимся на одной из социально значимых разработок лаборатории. Это создание сенсорного элемента для экспресс-диагностики инфаркта миокарда с возможностью совершенствования этой платформы вплоть до системы типа «лаборатория на чипе» с одновременным определением порядка 100 аналитов в режиме «анализ по месту лечения». Исследования проводятся в тесной кооперации с ИБХФ РАН, Кардиологическим Центром им. Бакулева, Химическим Факультетом МГУ, НОЦ «Функциональные микро/нано системы» МГТУ им. Н.Э Баумана.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

С развитием медицины появилась необходимость в массовом анализе белков — маркеров патологических состояний. Существует множество методов, позволяющих проводить данный анализ, но все они имеют свои недостатки: большое время анализа, или высокая стоимость расходных материалов, или сложный технологический процесс создания чувствительных элементов.

На сегодняшний день среди методов анализа белков одним из самых эффективных является спектроскопия комбинационного рассеяния. Эффект поверхностного гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) возникает, благодаря усилению локальных электромагнитных полей вблизи поверхности пленки, полученной из металла с высокой проводимостью. Первоначально данный эффект был получен на нанодисперсных и серебряных пленках. В настоящее время на установках вакуумного напыления создаются ГКР-активные подложки с самым разнообразным рельефом поверхности. Эффект поверхностного гигантского комбинационного рассеяния является мощным инструментом для спектрального анализа различных веществ. В частности, по спектру комбинационного рассеяния можно судить о наличии или отсутствии белка в анализируемом растворе.

Целью работ, проводимых в настоящее время в лаборатории, является исследование факторов, влияющих на ГКР-спектры миоглобина. Актуальность данной задачи заключается в том, что быстрое обнаружение миоглобина в крови человека является одним из способов диагностики инфаркта миокарда.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Идентификация белков — это важный аспект диагностики таких заболеваний у человека, как диабет, инфаркт и др. В мире существуют разные методы идентификации белков: масс-спектрометрия, ИК-спектрометрия, флуоресцентная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния. Однако все они требуют высокой концентрации вещества и большого времени для исследования материала. В условиях работы с аналитическим материалом, находящимся в растворах с изначально низкой концентрацией, и ограничением по времени на его анализ, перспективным методом является исследование поверхностного усиленного рамановского рассеяния.

Однако, и в этом случае специальная пробоподготовка поможет сконцентрировать исследуемое вещество в точке минимального размера на поверхности и обеспечить его оптимальную морфологию для быстрого контроля методом комбинационного рассеяния. Одним из таких способов пробоподготовки является локальное осаждение и кристаллизация вещества на поверхности. Подобная пробоподготовка растворов белков на специальных серебряных подложках со сложной морфологией позволит получать поверхностно-усиленные рамановские спектры.

На сегодняшний день известны способы кристаллизации из растворов, но они занимают длительное время, и последующее высаживание выращенных кристаллов на поверхность ГКР-активных подложек представляет сложность. Стимулированные с помощью нагрева или лазерного облучения осаждение и кристаллизация белков в выделенных участках подложки занимает на порядок меньшее время и позволит получать спектры комбинационного рассеяния с высокой амплитудой.

Глобальным технологическим трендом в рассматриваемой области является расширение спектра биоаналитических методов, основанных на комплексном использовании биосенсорных и микрофлюидных технологических платформ, интегрированных в «лабораторию на чипе». Развитие этих платформ в области биомедицинских применений связано с созданием быстрых, мультимодальных иммунологических и биохимических систем, основанных на использовании миниатюрных оптических детекторов. Успешное решение задач мультимодальной диагностики в формате «лаборатория на чипе» приведет к созданию новой технологической основы молекулярной диагностики в области медицины, экологии и оценки качества пищевых продуктов.

Среди важнейших проблем современности можно выделить высокую смертность населения от сердечно-сосудистых заболеваний, неблагоприятного развития их последствий и, как следствие, необходимость в средствах ранней диагностики и дифференцировки возможных осложнений. Самым частым и грозным осложнением инфаркта миокарда, первичных нарушений насосной функции левого желудочка, нарушений наполнения полостей сердца, аритмий любой этиологии является кардиогенный шок, который включает несколько разновидностей. Возникающее внезапно тяжелое состояние в 90% случаев заканчивается смертельным исходом. Выявление причины возникновения кардиогенного шока является критически важным, так как именно от этого зависит выбор стратегии лечения. Инфаркт миокарда является самой частой причиной развития кардиогенного шока. Учитывая тяжесть состояния больного, время на проведение детального обследования ограничено несколькими минутами, поэтому быстрая первичная (в большинстве случаев догоспитальная) диагностика является исключительно важным фактором. Более того, принимая во внимание то, что наиболее непредсказуемым периодом времени в плане возникновения осложнений острого распространенного инфаркта миокарда являются первые часы заболевания, ведь именно тогда в любой момент инфаркт миокарда может обернуться кардиогенным шоком, быстрая диагностика развития инфаркта миокарда будет предупреждать о развитии опасного состояния.

Надежными биохимическими маркерами повреждения миокарда, а значит и развития инфаркта, являются: тропонины I и T, МВ-фракция креатинфосфокиназы, сердечный белок, связывающий жирные кислоты (БСЖК), и миоглобин. Одновременное определение этих белковых молекул позволит уверенно определять стадии развития инфаркта миокарда.

В конечном итоге, разработка мультимодального иммунологического анализа в комплексе с прямой оптической детекцией сигнала приведет к созданию устройства, способного в режиме реального времени проводить количественный мультимодальный анализ. Фактически на одной подложке будет создана многоуровневая структура, включающая в себя многоканальную микрофлюидную схему для приготовления проб, сформированную систему световодов (интегрированных и волоконных), обеспечивающих ввод и вывод зондирующего оптического сигнала, и узлы коммутации для подключения источников излучения и фотоприемников.

Таким образом, выполняемые в кооперации работы направлены на решение, в конечном счете, — проблемы создания «лаборатории на чипе» на основе мультимодальной оптической биосенсорной платформы, объединяющей в своей структуре микрофлюидные чипы для проведения иммунологических реакций и высокочувствительные детекторы на основе интегрированных и волоконных световодов для решения, в частности, актуальной задачи: экспресс-диагностики инфаркта миокарда, с возможностью распространения на другие задачи.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Справка. В настоящее время сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) представляют собой группу наиболее смертоносных заболеваний во всем мире. Так, каждый год в США из 1,5 миллионов человек, испытывающих приступы стенокардии, около 500 тысяч умирают от инфаркта миокарда — одного из обычных осложнений заболевания. По оценкам, в 2012 году от ССЗ умерло 17,5 миллиона человек, что составило 31% всех случаев смерти в мире. Еще более плачевно обстоят дела в России, где смертность от ССЗ за последние 15 лет увеличилась в 1,5 раза и составляет около 50% от всех причин смертности населения. По подсчетам Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), в ближайшие десятилетия потери экономики России из-за преждевременной смертности от ССЗ могут составить около 300 миллиардов долларов, что делает лечение ССЗ вопросом национальной безопасности.

Значительный прогресс, достигнутый современной медициной в развитии методов лечения ССЗ и их осложнений, делает принципиально важным вопрос ранней диагностики заболевания и оценки его степени тяжести. Так, согласно ряду исследований, оказание необходимой медицинской помощи позволяет снизить смертность пациентов на 50% в течение первого часа с момента инфаркта и на 20-25% - в течение последующих 5 часов. Эффективность лечения на более поздних (более 6 часов от момента инфаркта) стадиях резко падает. Кроме того, быстрая и точная диагностика сердечного приступа и отнесение его к одному из трех основных степеней градации тяжести — стабильной/нестабильной стенокардии или инфаркту миокарда — является критически важным фактором для выбора правильного пути лечения и, в конечном счете, спасения жизни больного.

Применение мультимодальных сенсорных систем для быстрой дифференциальной диагностики причин кардиогенного шока подразделениями МЧС, полицейскими патрулями, а также группами быстрого реагирования на чрезвычайные ситуации позволит сократить число неблагоприятных исходов при осложнениях быстрого развития инфаркта миокарда и других причин кардиогенного шока и, тем самым, сохранить трудоспособность пациентов.

Актуальной задачей является создание портативного, переносного диагностического прибора, позволяющего проводить экспресс анализ в течение 3-5 минут. В этом плане перспективным является применение датчиков на основе волоконных или интегрально-оптических световодов, которые, имея малый размер, могут быть совмещены с микрофлюидной технологией и объединять в едином комплексе различные методы исследования. Кроме того, световод может служить удобным средством доставки сигнала с датчика в приборно-измерительный блок.

В настоящее время в мире разрабатываются различные типы биоаналитических платформ для регистрации специфических взаимодействий, однако актуальной остается задача скорости анализа и однозначной идентификации целевых белковых молекул и других молекул-маркеров. При раздельном применении все эти платформы обладают относительно высокой вероятностью ошибки в определении аналитов в сложных, многокомпонентных растворах. Однако объединение хотя бы двух из них в одном тесте резко снижает вероятность появления ошибок и существенно снижает предел обнаружения.

Текст и фото: Елена Бионышева-Абрамова

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈