Российский нанофотонный микрофлюидный сенсор диагностирует онкологические заболевания

Диагностировать рак по капле крови © stimul.online

Один из перспективных способов ранней диагностики — компактные «лаборатории на чипе» — миниатюрные сенсорные приборы, микросхемы, способные выполнить сложный биохимический анализ. Источник изображения: naked-science.ru

Российские исследователи создали нанофотонный микрофлюидный сенсор, потенциально применимый для диагностики онкологических заболеваний. Об устройстве, которое разработала команда ученых из НИУ ВШЭ, Скотеха, МПГУ и НИТУ МИСИС, пишет журнал об инновациях в России «Стимул». сейчас оно с высокой точностью идентифицирует газы и жидкости при их низких концентрациях в растворах. Статья опубликована в журнале Optics Letters.

По данным Всемирной организации здравоохранения, в 2020 году раком заболели более 19 млн человек, 10 миллионов из них скончались. Ниже приведены наиболее распространенные виды онкологии по числу новых случаев:

— молочной железы — 2,26 млн;

— легких — 2,21 млн;

— толстой или прямой кишки — 1,93 млн;

— предстательной железы — 1,41 млн;

— кожи (кроме меланомы) — 1,2 млн;

— желудка — 1,09 млн.

Наиболее опасен для жизни рак легких, от него в 2020 году умерли почти два миллиона человек, вдвое меньше показатель у рака толстой и прямой кишки, от рака печени ушли из жизни 830 тыс. человек, от рака желудка — 769 тыс., от рака молочной железы — 685 тысяч.

В России ежегодно от онкологических заболеваний умирает 300 тыс. человек. Из них 54% — мужчины, 46% — женщины. Причина высокой смертности — поздняя диагностика, пациенты просто боятся обращаться к врачу. Между тем, по статистике, спасает прежде всего своевременное обследование. 90% больных, у которых онкологическое заболевание выявили на ранней стадии, успешно излечиваются и живут долгие годы в состоянии ремиссии.

Один из перспективных способов ранней диагностики — компактные «лаборатории на чипе» — миниатюрные сенсорные приборы, микросхемы, способные выполнить сложный биохимический анализ.

«Наше исследование — важный шаг в сторону создания компактной „лаборатории на чипе“, которая по минимальному количеству крови пациента сможет не только выдавать полноценный анализ крови, но и диагностировать маркеры онкологических болезней на ранних этапах, — пояснил один из разработчиков гибридного сенсора, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Григорий Гольцман. — В идеале мы стремимся к простой конфигурации: небольшое переносное устройство, в которое пациент клиники предоставит каплю крови, врач нажмет кнопку „пуск“ и получит наглядный результат. Например, „Ваши показатели в норме“ или „Пройдите дополнительное обследование“».

ГОЛЬЦМАН.jpg © stimul.online

Профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Григорий Гольцман. Источник изображения: scientificrussia.ru

ОБНАРУЖИТЬ РАК НА РАННЕЙ СТАДИИ

«Концепция комбинирования нанофотонных устройств в качестве сенсора с микрофлюидными каналами для прокачки исследуемых аналитов не нова и уже не раз была продемонстрирована в ведущих зарубежных журналах на различных платформах, — рассказал „Стимулу“ один из авторов статьи, выпускник НИУ ВШЭ, аспирант Сколтеха Алексей Кузин. — Нынешняя реализация возникла на основе нашего задела как в области создания нанофотонных схем на нитрид кремниевой платформе, так и в реализации микрофлюидных устройств из полиметилдисилоксана. Стоит отметить, что на глобальном рынке до сих пор нет установившейся концепции „лаборатории на чипе“, что подтверждается большим количеством стартапов в данном направлении».

Гибридный сенсор состоит из нанофотонной и микрофлюидной частей. Нанофотонная — расположенные на чипе высокочувствительные датчики, а микрофлюидная — каналы из полимера над ними. Прокачиваемые через каналы жидкости или газы влияют на распространение оптического излучения в чувствительных нанофотонных элементах, изменяя выходные спектральные характеристики. На основании этих изменений за счет предварительной калибровки системы или численного моделирования определяется состав и концентрация исследуемого аналита в растворе или смеси газов.

«Уникальность нашего подхода в том, что данная технология масштабируема, она дает возможность разрабатывать компактные высокочувствительные устройства для проведения на одном чипе около тысячи тестов для определения потенциальных заболеваний или утечек токсинов при использовании ультрамалых объемов исследуемого образца».

Малый размер микрофлюидных каналов позволяет получать результаты даже при небольшом объеме проб. Это критически важно в случаях, когда невозможно провести анализ на месте и пробы необходимо перевозить в другой город для подробного изучения.

На нынешнем этапе эксперименты проводились на модельном объекте. Сенсор тестировали на различных концентрациях изопропилового спирта в воде. Всего было представлено 20 разных концентраций (от 0,08 до 72% по массе). Спирт хорошо растворяется в воде, что позволило исследовать растворы с низкими исходными концентрациями. Так, устройство обнаружило спирт в растворе, где на 12 молекул спирта приходился 1 млн молекул воды.

«В будущем мы планируем анализировать сложные многокомпонентные составы, в том числе кровь, за счет модификации поверхности чувствительных областей фотонных датчиков специальными рецепторами (аптамерами, антителами, ДАРПинами, пептидами) с помощью микрофлюидных каналов, — рассказывает Алексей Кузин. — Эти рецепторы обладают определенной специфичностью, что позволит после модификации ими поверхности нанофотонных датчиков выделять для исследования из всего раствора только определенные маркеры заболевания (экзосомы). В связи с этим для постановки предварительного диагноза потребуется изучить наличие и концентрацию целого ряда экзосом, связанных с развитием конкретного вида онкологического заболевания».

В крови человека есть ряд компонентов, которые можно анализировать для постановки предварительных диагнозов. Один из этих компонентов — внеклеточные везикулы (экзосомы). Экзосомы — это микроскопические пузырьки, выделяемые в межклеточное пространство клетками тканей и органов.

«Клетки общаются друг с другом. В этом им помогают внеклеточные везикулы, в том числе экзосомы, которые работают как СМС, — рассказывает профессор Сколковского института науки и технологий Дмитрий Горин. — Однако из-за внутренних (генетическая предрасположенность) или внешних факторов (экология, радиация) у клетки нарушается режим работы, и она начинает отправлять „неправильные СМС“, провоцируя неконтролируемое деление клеток и развитие опухоли».

На ранней стадии развития онкологии количество экзосом в крови увеличивается до аналитически значимых значений, сигнализирующих о наличии болезни, что позволяет использовать экзосомы как маркер. Ученые планируют применять такой способ диагностики после доработки устройства.

Сейчас сам прибор и необходимое для его работы экспериментальное оборудование довольно громоздкие. Установка содержит перистальтический насос, перестраиваемый лазер, детектор, чип и персональный компьютер для обработки полученных данных.

«В будущем мы бы хотели сделать компактное сенсорное устройство для экспресс-тестирования, — говорит Алексей Кузин. Оно позволит сократить временные и материальные издержки для диагностики, сопровождения и оценки эффективности лечения онкологических заболеваний. У нас уже есть успешный опыт создания коммерческого продукта, и это вселяет определенный оптимизм. По нашим оценкам, с учетом преодоления технических сложностей и при должном финансировании на разработку и испытания прибора уйдет около трех лет».

Алексей Андреев

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👈