Одноразовый кремниевый чип для ПЦР вне лаборатории

Большинство современных методов выявления патогенов с помощью ПЦР требуют проведения анализов в лаборатории, оснащенной специализированным оборудованием. Разработки, направленные на создание экспресс-тестов, которые можно было бы проводить в местах оказания медицинской помощи, ведутся, однако доступные на рынке решения достаточно дороги в производстве либо все же требуют специальной аппаратуры и больших затрат электроэнергии. Пандемия COVID-19 продемонстрировала острую потребность в дешевых и массовых тест-системах, позволяющих быстро определить присутствие патогена «у постели больного». Ученые из Имперского колледжа Лондона разработали простой в производстве одноразовый чип, позволяющий проводить количественную ПЦР в реальном времени без транспортировки образца в лабораторию.

Одна из основных сложностей при миниатюризации ПЦР — температурный режим: для протекания реакции необходимо много последовательных циклов нагревания и охлаждения до точных температур. В приборах-амплификаторах для этого используются нагревательный элемент и устройство считывания температуры. Авторы новой работы решили эту проблему, взяв в качестве субстрата для реакции пористый кремний. Полупроводниковые свойства кремния позволяют использовать его в качестве и нагревательного, и термочувствительного элемента. Кремний нагревается, когда через него проходит электрический ток. При нагревании происходит снижение сопротивления, которое считывается микрокомпьютером. Таким образом, появляется возможность точно контролировать температуру протекания реакции без какого-либо дополнительного оборудования.

Вторая задача, которую нужно было решить ученым, — придумать метод считывания результатов. Традиционно для детекции продукта ПЦР используются флуоресцентные метки, но это опять-таки требует сложного оборудования. Поэтому решили использовать электрохимический сигнал. В буферный раствор для проведения ПЦР добавляется краситель метиленовый синий (MB). При прохождении тока через электроды MB окисляется на поверхности электрода, что приводит к появлению окислительно-восстановительного потенциала, который считывается с помощью прямоугольной вольтамперометрии в виде электроаналитического сигнала. А когда идет ПЦР, MB встраивается в гуанин-цитозиновые пары синтезируемых молекул ДНК. Связанные с ДНК молекулы MB не могут взаимодействовать с электродами, в результате уровень электроаналитического сигнала снижается.

Для проверки работоспособности теста на чипе, который авторы назвали TriSilix, провели пробные анализы с использованием ДНК Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis (вид микобактерий, вызывающий паратуберкулез у животных) и искусственно синтезированной ДНК, комплементарной РНК SARS-CoV-2 (кДНК). В опыте с Mycobacterium устройство обнаружило 20 фемтограммов (2·10⁻¹⁴ г) ДНК после 35 циклов ПЦР. Это эквивалентно обнаружению в пробе единственной бактерии и соответствует уровню чувствительности лабораторных методов. При анализе кДНК коронавируса порог чувствительности составил 1 пикограмм (1·10⁻¹² г) ДНК после 20 циклов ПЦР.

Существующий прототип может работать только с очищенными образцами ДНК, что не подходит для экспресс-теста. Но авторы планируют решить этот вопрос, например, лизированием клеток в образце под действием тепла, а также обеспечить обратную транскрипцию РНК в ДНК, которая даст возможность без дополнительных манипуляций выявлять вирусы с РНК-геномами. В дальнейшем группа планирует создание ручного анализатора, включающего всю необходимую электронику для проведения анализов.

TriSilix может работать от аккумулятора, подобного тем, что стоят в современных смартфонах. При емкости 4000 мА·ч можно провести без перезарядки 13 ПЦР-тестов, в каждом до 35 циклов. Если же использовать вместо ПЦР изотермическую амплификацию,·число тестов удастся увеличить до 40.

Для производства чипов не требуется чистое помещение, и стоимость производства одного чипа составляет всего около 0,35 доллара, причем авторы считают, что есть возможность снизить ее еще больше. Они уверены, что благодаря своей экономичности и эффективности устройство будет применяться не только для контроля патогенов, но и в других областях, например для генетического анализа биообъектов или выявления генетических заболеваний.