Микрофлюидное оригами помогло создать лучший прибор для диагностики малярии в полевых условиях

Ученые разработали микрофлюидное устройство, которое позволяет в полевых условиях диагностировать малярию с точностью 98 процентов. Прибор основан на использовании бумажного чипа, который складывается подобно фигуркам оригами, образуя микроканалы нужной конфигурации. С помощью такой системы можно проводить анализ ДНК в пробах крови и определять в ней наличие определенных видов малярийного плазмодия. Разработанный сенсор по точности и скорости анализа превосходит все известные на данный момент приборы для полевой диагностики малярии, пишут ученые в Proceeding of the National Academy of Sciences.

Один из популярных сейчас подходов при разработке портативных приборов для медицинской диагностики — использование концепции «лаборатория-на-чипе». Созданные по этому принципу устройства состоят из сети микроканалов, по которым течет совсем небольшая анализируемая проба (например, капля крови). При движении внутри такого прибора проба проходит по заранее заданному маршруту, на котором над ней последовательно проводятся различные операции: химические реакции, разделение на несколько потоков, выделение отдельных компонентов или, например, сортировка клеток по плотности или размеру.

Чтобы сделать подобное устройство обычно применяют один из двух методов: либо каналы нужной геометрии проделывают сплошном материале (например, стекле или силиконе), либо сразу используют такие материалы, в которых уже существует система тонких каналов (обычно это гибкие пористые материалы на основе бумаги). Второй подход проще и дешевле, но имеет очевидный недостаток — геометрию системы микро- или наноканалов в это случае намного сложнее контролировать. Зато при изготовлении или использовании этих устройств можно пользоваться преимуществами, которые дает бумага, — возможность резать или складывать. Например, в прошлом году группа ученых предложила делать нанофлюидные чипы из бумаги, покрытой оксидом графена, просто вырезая элементы нужной формы ножницами.

Используя похожую идею, группа ученых из Великобритании, Китая и Уганды под руководством Джонатана Купера (Jonathan M. Cooper) из Университета Глазго сделала микрофлюидный чип, который позволяет с очень высокой точностью диагностировать малярию. Предложенное устройство размером около десяти сантиметров состоит из двух бумажных частей в пластиковом каркасе — в первой половине происходит пробоподготовка и химический анализ, а вторая часть необходима для визуализации полученных результатов.

Чтобы определить наличие в крови малярийного плазмодия с помощью этого устройства, ученые использовали пробу объемом 5 микролитров. Эту пробу смешивали с буферным раствором, содержащим магнитные наночастицы для адсорбции ДНК, и наносили на первую половину чипа. После этого бумажное устройство несколько раз складывали, так что при этом формировались каналы нужной геометрии, и проба распределялась по трем полостям, в которых затем происходила амплификация ДНК. При этом вместо стандартного метода полимеразной цепной реакции (ПЦР), ученые предложили использовать методику изотермальной амплификации с формированием петель (LAMP). После 45-минутной реакции при 63 градусах Цельсия (при этом в каждой из полостей используются различные типы праймеров, чтобы по первому образцу можно было определить Plasmodium falciparum, по второму — все остальные виды Plasmodium, вызывающие малярию, а третий для контрольного теста) образцы подавались во вторую половину устройства, необходимую для визуализации результатов анализа. Если в первой части чипа проба двигалась поперек бумажных слоев, то во второй анализируемая жидкость двигалась уже вдоль бумажных полос, образуя на них цветные линии за счет реакций с стрептавидином и антителами.

По задумке авторов работы, такое устройство должно использоваться для полевой диагностики малярии в бедных районах с высоким риском заражения, поэтому его работоспособность ученые проверили в двух регионах Уганды (а анализ полностью проводился в местных сельских школах). Исследования показали, что точность диагностики с помощью таких сенсоров составляет 98 процента, при этом по чувствительности прибор превосходит все известные полевые устройства для определения малярии (например, оптическую микроскопию или иммунодиагностические тесты — в этих случаях точность диагностики не превышала 86 процентов). Кроме этого исследователи отмечают небольшое время анализа каждой пробы, которое составляло не больше 50 минут — это быстрее, чем полноценный лабораторный анализ с помощью ПЦР. По словам ученых, подобные сенсоры за счет низкой стоимости, скорости анализа и простоты использования уже сейчас могут эффективно применяться для полевой диагностики малярии.

Другой подход к диагностике малярии основан на определении летучих веществ, которые выделяет кожа человека. В прошлом году исследователи из Швейцарии, Кении и США показали, что их химический состав у здоровых и зараженных малярийным плазмодием людей отличается, поэтому анализ этих соединений позволяет эффективно выявлять пациентов с бессимптомной формой малярии. А для лечения малярии генетики, например, предлагают блокировать малярийным плазмодиям выходы из клеток крови, не давая им возможности заражать новые эритроциты.

Александр Дубов