Одноразовый кремниевый чип для ПЦР вне лаборатории

Чип, разработанный исследователями из Имперского колледжа Лондона, позволяет проводить количественную полимеразную цепную реакцию без использования стационарного оборудования. На заряде, эквивалентном заряду смартфона, можно провести десятки диагностических тестов, точность которых сопоставима с лабораторными методами выявления нуклеиновых кислот патогенов.

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.

Источник

Nunez-Bajo, E. et al. // Disposable silicon-based all-in-one micro-qPCR for rapid on-site detection of pathogens. // Nature Communications, 11, 6176 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-19911-6

Добавить в избранное

Вам будет интересно