Рис. 1. Схема работы системы молекулярной диагностики с использованием смартфона. А — схема проведения диагностики: сначала нужно подготовить образец исследуемой ткани (например, крови); затем, используя антитела, пометить цели специальными шариками; после чего снять дифракционную картину и отправить ее для анализа на сервер. В — устройство насадки. С — взаимодействие смартфона и сервера. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS
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.
Рис. 2. Пример работы системы диагностики. Верхний ряд — шарики не прикрепились к клетке, нижний ряд — шарики налипли на клетку (размер шариков — 7 мкм). Одних только дифракционных картин (Diffraction) для корректного распознавания не достаточно, алгоритм также использует данные по прозрачности (Transmittance) и фазовому сдвигу (Phase) объектов — по этим параметрам шарики сильно контрастировали с изучаемыми клетками. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS
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).
Рис. 3. Поиск целевой ДНК в образце. Используется два типа шариков с прикрепленными одноцепочечными фрагментами ДНК, за которые можно вытянуть из образца целевую молекулу. Димеры шариков, которые поймали целевую молекулу, дают характерную картину дифракции, по которой можно определить наличие целевых молекул ДНК в образце. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS
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.
16.04.15 Источник: H. Im et al. Digital diffraction analysis enables low-cost molecular diagnostics on a smartphone // PNAS. 2015. DOI:10.1073/pnas.1501815112.
Юлия Кондратенко
