Наши смартфоны мощнее компьютеров, которые использовались при запуске миссий «Аполлон». Но, что еще замечательнее, их возможности шире. Уже созданы специальные насадки, которые позволяют использовать смартфоны для микроскопии и даже для диагностики глазных болезней. А теперь американские ученые разработали насадку и программу для смартфона, чтобы превратить его в своеобразную минилабораторию для сверхбыстрой молекулярной диагностики.
В биологии есть методы, которые позволяют получить очень важные данные (например, позволяющие поставить диагноз больному), но при этом простые по своей сути. Один из таких методов — это молекулярная диагностика с помощью антител, использующая их способность хорошо распознавать определенные виды молекул. Антитела снабжаются метками, благодаря которым их легко увидеть (например, к ним пришивают флуоресцирующие молекулы). Потом такие антитела добавляют к образцу, выжидают, пока произойдет связывание, и смывают лишние антитела. В итоге по флуоресценции связавшихся с образцом антител можно видеть, где находятся интересующие нас молекулы.
Модификация этого метода — это вылавливание целевых молекул из образца с использованием антител в качестве наживки. Для этого применяют относительно крупные шарики, облепленные антителами к тому, что нам интересно. Шарики нужно добавить в образец, подождать, пока на антитела налипнут их мишени, а потом извлечь шарики, а с ними — и целевые молекулы.
Похожий метод ученым удалось адаптировать для сверхбыстрой диагностики, которую теперь можно проводить с помощью обычного смартфона. Чтобы превратить смартфон в диагностическую лабораторию, устройство нужно будет снабдить специальной насадкой, в которой есть отделение для образца и источник света, а также приложением, которое отправляет данные для анализа на сервер, а потом демонстрирует результаты молекулярного исследования пользователю (рис. 1).
С помощью такого устройство можно будет проверять наличие определенных молекул на поверхности клеток образца (например, крови). К клеткам нужно будет добавить шарики с антителами к интересующим нас молекулам (такие шарики можно купить, как и любые другие лабораторные реактивы). Камера смартфона используется, чтобы запечатлевать дифракционную картину, которая образуется при рассеянии лучей на смеси шариков и исследуемых клеток. Картинка отправляется на сервер, который восстанавливает по дифракционной картине расположение клеток и шариков (рис. 2). Чем больше шариков налипло на определенную клетку — тем больше на ее поверхности целевых молекул.
Сейчас мы знаем множество молекул-маркеров злокачественных клеток, и, если использовать шарики с антителами к таким молекулам, можно определить, есть ли в образце злокачественные клетки. Можно выявлять и любые другие клетки, со специфическими молекулами на поверхности (например, так можно находить разные типы клеток иммунной системы). Для анализа можно одновременно использовать сразу несколько типов шариков, несущих разные антитела, и находить в таком эксперименте клетки с определенным набором маркеров. В этом случае надо использовать шарики разных размеров, или сделанные из разных материалов, чтобы шарики с разными типами антител можно было отличить друг от друга.
Ученые убедились, что соотношения связывающихся с клетками шариков совпадают с соотношениями экспрессии генов целевых молекул — то есть с помощью смартфона можно будет проводить не только качественный, но и количественный молекулярный анализ. Чтобы проверить свою систему на практике, исследователи проанализировали с ее помощью образцы тканей 25 пациенток с раком шейки матки. Для контроля образцы исследовали и традиционными гистологическими методами. Образцы разделили на категории в зависимости от тяжести заболевания (высокий риск, низкий риск, доброкачественная опухоль), и для двух методов — классического и нового — характеристики образцов совпали. При этом анализ с использованием новой системы для смартфона не только не потребовал дорогого оборудования и сложных манипуляций, но и дал результаты очень быстро — на всю процедуру, включая приготовление образца и анализ данных, требуется 45 минут. Другое преимущество новой системы — это большой угол обзора. В одном зрительном поле камеры смартфона помещаются десятки тысяч клеток, и их можно проанализировать одновременно. При диагностике с помощью микроскопии можно одновременно изучать намного меньшие количества клеток.
Ученые также придумали, как их систему можно использовать для анализа ДНК. Чтобы проверить, есть ли в образце определенная ДНК (например, ДНК вируса), нужно использовать два типа шариков с приделанными одноцепочечными фрагментами ДНК, комплементарными целевой последовательности. Сначала целевая ДНК вылавливается из образца с помощью шариков одного типа. Затем к ним добавляются шарики другого типа. Если в образце были молекулы с концами, соответствующими последовательностям на двух разных шариках, то на выходе мы получим димеры шариков, соединенные молекулами пойманной ДНК. Такие димеры образуют характерную дифракционную картину, и если мы ее видим, значит в образце есть целевая ДНК (рис. 3). Этим методом удалось детектировать аттомоли (10–18 моля) целевой ДНК, и это без ПЦР-амплификации. Такая чувствительность сопоставима с чувствительностью самых точных методов исследования ДНК (теоретически с помощью ПЦР можно обнаружить единственную копию ДНК в пробе, на практике чувствительность метода на один-два порядка ниже — то есть 10–22–10–21 молей ДНК).
Авторы новой системы молекулярной диагностики считают, что, раз уж смартфоны так быстро распространяются, нужно придумывать им как можно больше полезных применений. Конечно, для использования их системы нужны специальные реактивы и определенные навыки лабораторной работы, так что вряд ли в ближайшем будущем любой желающий сможет заниматься молекулярными анализами. Тем не менее новая система диагностики — вероятно, одна из простейших, наиболее быстрых, дешевых и при этом работающих систем, которые можно себе вообразить. Так что она наверняка найдет свое применение.
Источник: H. Im et al. Digital diffraction analysis enables low-cost molecular diagnostics on a smartphone // PNAS. 2015. DOI:10.1073/pnas.1501815112.
