Разработан аппарат для неивазивной диагностики малярии при помощи лазера и ультразвука

Почти половина населения мира живет в регионах с повышенным риском заболевания малярией, а среди самых уязвимых групп — дети и беременные женщины. На протяжении многих лет идет поиск методов диагностики малярии в полевых условиях, не требующих лабораторного оборудования и высококвалифицированного персонала. Группа ученых из Великобритании, США и Камеруна разработала устройство, позволяющее диагностировать инфекцию неинвазивным путем при помощи лазера и ультразвука.

Золотой стандарт диагностики малярии — световая микроскопия, но в полевых условиях она уступает диагностическим экспресс-тестам (RDT) на антитела к белкам паразита. И оба этих метода имеют низкую чувствительность с пределом обнаружения (LoD) ≥ 50–100 паразитов/мкл (паразитемия 0,001–0,002%), то есть для выявления паразитемии необходимо, чтобы в крови циркулировало более 100 млн малярийных плазмодиев. Стандартная вложенная ПЦР и петлевая изотермическая амплификация более чувствительны (LoD ~ 1 паразит/мкл), но с их помощью нельзя провести количественную оценку и мультиплексирование. ПЦР в режиме реального времени (qPCR) и ПЦР с обратной транскрипцией (RT-qPCR) чувствительны (LoD ≤ 16–60 паразитов/мл) и позволяют провести мультиплексирование, но, как и все вышеперечисленные методы диагностики, инвазивны и требуют наличия лаборатории и квалифицированного персонала, что ограничивает их применение в странах с низким уровнем дохода.

Ученые обратили внимание на побочный продукт жизнедеятельности малярийного плазмодия — гемозоин (Hz), железосодержащий пигмент, инертный и нерастворимый биокристалл, образующийся в результате распада гемоглобина. Химически он идентичен бета-гематину, но обладает уникальными магнитными и оптическими свойствами. Попытки использовать Hz для диагностики малярии ведутся на протяжении последних 10–15 лет, но до настоящего момента все разработки требовали отбора образца крови, что делает метод инвазивным. В исследованиях последних лет рассматривается возможность использования лазерных технологий in vivo, включая спектроскопию в ближней инфракрасной области (NIRS) и фотоакустическую проточную цитометрию (PAFC).

Изначально технология PAFC разрабатывалась для диагностики меланомы, но сходство меланина и Hz натолкнуло ученых на мысль использовать ее и для диагностики малярии. В основе метода лежит транскутанная (через кожу без ее повреждения) доставка низкоэнергетических лазерных импульсов в кровеносный сосуд и нагрев нанокристаллов Hz, которые находятся в инфицированных эритроцитах и лучше поглощают свет, чем гемоглобин в здоровых эритроцитах. При поглощении света происходит генерация акустических волн, которые можно зарегистрировать ультразвуковыми накожными преобразователями. Данный метод неинвазивен (не нужно делать забор крови), не нуждается во введении в организм каких-либо меток, позволяет быстро исследовать большие объемы крови (0,2–2,0 мл крови за 10 с) и требует использования лазерного излучения на уровне, хорошо переносимом живыми клетками. Метод был апробирован для выявления циркулирующих опухолевых клеток в ходе диагностики меланомы и для диагностики малярии у мышей.

Портативное устройство Cytophone для диагностики малярии методом PAFC включает в себя 1064-нм твердотельный лазер (ширина импульса 1,5 нс, частота импульсов 1 кГц, уровень энергии до 240 мкДж), оптическую систему (вспомогательный пилотный лазер зеленого цвета на 532 нм, настроенный коллинеарно с 1064-нм лазером, и оптический наконечник), а также 16 накожных преобразователей ультразвука. Для визуализации вен использовали ближнее инфракрасное излучение, после картировали их белыми косметическими маркерами, прозрачными для лазерного света 1064 нм. Неинвазивный зонд размещали на тыльной стороне руки человека над веной. Прототип размером с настольный принтер позволяет определять наличие инфекции за несколько минут.

В исследовании участвовали пациенты возрастом 21 год и старше с диагностированной неосложненной малярией, подтвержденной либо RDT, либо микроскопическим методом. В ходе экспериментов оценивалась паразитарная нагрузка в диапазоне от 88 до 90 777 944 плазмодиев/мл (~0,000002–1,8% паразитемии) — типичные показатели для неосложненной малярии. У 19 из 20 испытуемых были получены фотоакустические (PA) сигналы во время болезни; у единственного человека с отрицательным результатом паразитемия составила 196 паразитов/мкл. В процессе лечения уровень PA-сигналов снижался (особенно выраженно в первые 3–5 дней противомалярийной терапии), что соответствовало результатам qPCR и данным полевых исследований. На 7–11 день результаты RDT оставались положительными у 50% участников, что ученые объясняют персистенцией антигенов после терапии. При этом Cytophone определял болезнь только у 20% испытуемых. Исследователи также считают, что на показатели Cytophone не будут влиять делеции антигенов, что обычно портит результат RDT. В целом на протяжении всего исследования чувствительность прибора составила 90%, специфичность — 69%

Таким образом, устройство для определения малярии позволяет выявлять болезнь неинвазивным путем, но по качеству сопоставимым с инвазивными методами диагностики. Устройство также обнаруживает все виды паразитов из рода Plasmodium, так как гемазоин необходим им для выживания. Так, в ходе исследования малярия была диагностирована у пациента с моноинфекцией, вызванной P. malariae, и у двоих человек со смешанными инфекциями (P. falciparum и другой вид).

Исследователи планируют продолжить работу над Cytophone, чтобы повысить чувствительность аппарата, а также сделать так, чтобы он функционировал от батареек.

мРНК внеклеточных везикул плазмы крови помогает отслеживать развитие церебральной малярии у детей