Ученые создали портативное устройство для анализа ДНК. Оно весит около 60 граммов, его себестоимость меньше 7 долларов. Для нагревания реагентов и автоматического распознавания результата устройство использует смартфон. Девайс высокочувствителен и универсален, он распознает различные виды мутаций и ДНК патогенов в образцах крови, мочи и слюны, а также в продуктах и растениях. Статья опубликована в журнале Science Advances.
Один из самых распространенных способов определить последовательность ДНК — полимеразная цепная реакция (ПЦР). Для ПЦР необхоимо специальное оборудование, источник электричества и обученный специалист. Ученые пытаются создать портативные устройства для анализа ДНК, которые позволят проводить анализы в любых условиях.
Определение последовательности ДНК требует ряда процедур: подготовка образцов, амплификация (многократное копирование молекул ДНК в образцах) и собственно детекция. Каждый из этих шагов необходимо уместить в портативное устройство. Одна из проблем на этом пути — сделать процесс независимым от электричества, ведь большинство методов анализа ДНК требует нагревание образцов.
Устройство пытаются сделать не только компактным, но и универсальным: оно должно уметь работать с анализами слюны, крови и мочи и распознавать различные формы ДНК, например, гены патогенов и мутации.
Ученые из Китая и США под руководством Мин Чэня (Ming Chen) из Третьего военно-медицинского университета создали ультрапортативное устройство для анализа ДНК весом меньше 100 граммов. Устройство состоит из двух основных частей: четырехграммового чипа, который печатают на 3D-принтере, и складной коробки. Вместе со смартфоном, который необходим для работы устройства, все детали помещаются в пакет или конверт формата B5 (25 на 17 сантиметров). Стоимость производства устройства составляет около 2,5 долларов, а расходных материалов для анализа одного образца — около четырех долларов.
Чип состоит из двух частей: блока подготовки образца и блока усиления сигнала. Пробу помещают на диск, который связывает ДНК, и промывают от клеточных компонентов буферным раствором. Затем добавляют реагенты для рекомбиназной полимеразной амплификации — метода, который позволяет размножить молекулы ДНК при постоянной температуре.
Растворы вводят в чип с помощью шприца, на который насаживают тефлоновую трубочку. В ней уже есть все необходимые реагенты в нужном порядке и количестве. Различные растворы разделяют пузыри воздуха, и оператор устройства должен лишь нажимать на поршень шприца, пока нужная жидкость не выйдет из него.
Чтобы нагреть образцы до необходимых 37 градусов Цельсия, используют смартфон. Ученые разработали приложение, которое запускает операции, требующие интенсивной работы процесора. Программа автоматически контролирует число операций, чтобы поддерживать температуру на нужном уровне. В комплекте также предусмотрены одноразовые пакеты, которые защитят смартфон от биологических жидкостей.
Рекомбиназную полимеразную амплификацию проводят в течение 20 минут, после чего образцы попадают в блок усиления сигнала по микрофлюидному каналу. Жидкость с образцами проходит по стеклянному чипу, на котором зафиксированы ДНК-пробы. Молекулы ДНК из образцов, которые комплементарны пробам, связываются с теми и фиксируются на стеклянной поверхности, а остальные смываются. ДНК на стеклянном чипе покрывают наночастицами золота, на которые в результате каталитического каскада осаждается множество ионов серебра.
Благодаря ионам серебра точки, в которых ДНК образцов связалась с пробами становятся заметны невооруженным глазом. Для автоматического считывания результата нужна вторая часть устройства. В нее входит картонная складная коробка (подставка для смартфона) и оптический блок с макролинзой и светодиодом. Камера телефона фиксирует свечение проб, а приложение оцифровывает результат.
С помощью устройства удалось распознать разные виды мутаций (делеции фрагментов ДНК разной длины, однонуклеотидные вставки и замены), аллельные гены и специфичные для патогенов последовательности ДНК. Необходимо было лишь подобрать правильные праймеры. Предел чувствительности устройства — 113 копий ДНК на миллилитр пробы.
Устройство продемонстрировало свою универсальность и для разных типов биологических образцов: крови, слюны, мочи, еды и растений. Девайс можно использовать для медицинских анализов, чтобы определить безопасность пищи и обнаружить патогены культурных растений.
Мода на портативные устройства проникает в разные области медицины: существуют «чихометры», которые определяют астму по выдыхаемому воздуху; датчики пота, крепящиеся на запястье; и даже портативные биореакторы для синтеза лекарств.
Алиса Бахарева
Мувалаплин стал первым кандидатом в пероральные лекарства от дислипидемии (а)
Австралийские и американские врачи опубликовали результаты первой фазы исследования мувалаплина — соединения, блокирующего формирование липопротеина (а) и предназначенного для перорального приема. В двухнедельном эксперименте с участием 105 здоровых добровольцев мувалаплин снизил уровень атерогенного липопротеина в три раза и не вызвал серьезных побочных эффектов. Мувалаплин стал первым кандидатом в лекарства с подобным механизмом действия, прошедшим исследование первой фазы. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of American Medical Association. Липопротеины (а) — это комплексы белков и липидов, циркулирующие в крови человека и транспортирующие холестерин. Их функция неизвестна, а концентрация на два порядка ниже, чем у более известной и похожей по строению транспортной формы холестерина — липопротеинов низкой плотности. Но, несмотря на низкую концентрацию в плазме крови, частицы липопротеинов (а) вносят заметный вклад в атеросклероз сосудов и кальциноз сердечных клапанов, поскольку легко проникают в стенку сосудов и несут в себе окисленные формы липидов. Уровень липопротеинов (а) повышен примерно у каждого восьмого взрослого жителя России, а вместе с ним повышен и риск сердечно-сосудистых заболеваний. В отличие от липопротеинов низкой плотности, количество липопротеинов (а) в крови мало зависит от образа жизни, а определяется в первую очередь экспрессией гена аполипопротеина (а) — одного из белковых компонентов липопротеина. Основные пероральные холестеринснижающие препараты, используемые сейчас в клинической практике (например, статины), не влияют на уровень липопротеина (а). Инъекционные препараты на основе моноклональных антител, усиливающих захват липопротеинов клетками, слабо снижают уровень липопротеина (а) и не могут применяться при изолированной гиперлипопротеинемии (а), и сейчас основной метод лечения таких пациентов — это аферез липопротеинов (а). В разработке находятся препараты, блокирующие экспрессию гена аполипопротеина (а), но лекарства на основе антисмысловых олигонуклеотидов и интерферирующих РНК потребуют инъекционного введения, что неудобно для пациентов, которым требуется пожизненная терапия. Врачи из Австралии и США под руководством Стивена Николса (Stephen J. Nicholls) из австралийского Университета Монаша провели одноцентровое исследование первой фазы по оценке безопасности перорального препарата мувалаплина (его исследованием и продвижением занимается американская фармацевтическая компания Eli Lilly, она же спонсировала исследование). Это соединение блокирует участок молекулы аполипопротеина (а), служащий для связывания с белком аполипопротеином B100 и для сборки частицы. В ходе исследования врачи проанализировали данные от 105 здоровых добровольцев из Нидерландов в возрасте 18-69 лет. 52 человека — получили от врачей одну дозу плацебо или мувалаплина в дозе от одного до восьмисот миллиграмм. Таким образом ученые получили сведения, как потенциальное лекарство распределяется и метаболизируется в организме людей. Обнаружив, что низкие дозы не дают необходимой концентрации или длительности действия средства, врачи приступили ко второй части. В ходе нее врачи набрали 53 добровольца, имеющих повышенный уровень липопротеина (а) в плазме крови (более 30 миллиграммов на децилитр, или 72 наномоль на литр), и давали испытуемым мувалаплин в дозе в дозе 30-800 миллиграмм в сутки в течение 14 дней. Параллельно врачи следили за изменениями в анализах крови, фокусируясь в первую очередь на уровнях липидов плазмы крови и активности белков острой фазы. Уровень липопротеина (а) в крови снижался уже на второй день приема, а к концу курса снижение достигало 65 процентов в сравнении с плацебо. Серьезные нежелательные явления не были зарегистрированы в процессе исследования, хотя было обнаружено небольшое снижение уровня плазминогена в крови, которое могло быть вызвано неселективным действием мувалаплина из-за сходства аполипопротеина (а) с плазминогеном. Результат исследования первой фазы делает мувалаплин первым соединением, созданным для снижения уровня липопротеина (а), прошедшим исследование первой фазы и не требующим внутривенного или подкожного введения. Будущие наблюдения в течение более длительного времени на группах людей с нарушениями липидного обмена позволят точнее сказать, есть ли будущее у пероральной терапии дислипидемии (а). Исследование второй фазы уже стартовало, его результаты появятся, вероятно, в 2024 году. Нарушения липидного обмена — это не только история про атеросклероз. Иногда они имеют неожиданные проявления — вроде отложения бета-амилоида в мозгу или скорой смерти самок осьминогов после спаривания.