Специалисты из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН создали новый экспресс-тест для диагностики инфаркта миокарда. Разработанный метод превосходит существующие аналоги по чувствительности в 45 раз и обеспечивает обнаружение маркера повреждения уже по минимальному количеству крови – всего одной капле – всего за шесть минут. О результатах работы ученые сообщили в международном научном журнале Biosensors and Bioelectronics.
Острое поражение миокарда с некрозом остается одной из основных причин смертности от болезней сердца и сосудов во всем мире. Медицинские работники, оказывающие неотложную помощь и принимающие пациентов в стационаре, действуют в условиях ограниченного времени: ранняя диагностика значительно увеличивает вероятность благоприятного исхода для пациента. Тем не менее, стандартные лабораторные исследования требуют от 30 до 60 минут, а также специализированное оборудование и квалифицированный персонал. Кроме того, экспресс-методы не обладают достаточной точностью для выявления начальных признаков повреждения сердечной мышцы и нередко приводят к получению ложных отрицательных результатов.
Российским ученым удалось найти решение, позволяющее сочетать высокую скорость и точность анализа. В результате появилась совершенно новая тест-система.
Для проведения анализа требуется лишь одна капля крови. Ее помещают на тест-полоску, аналогичную тем, что используются в тестах на беременность, где жидкость самостоятельно впитывается и продвигается по полоске. Параллельно активируется вращающееся магнитное поле. В процессе движения крови наноцепочки обеспечивают ее перемешивание, захватывают белок-маркер и осаждают его на тестовой линии. На выполнение всего анализа уходит 6 минут.
Данные анализа получает портативный магнитный прибор. В отличие от оптических систем, которые фиксируют только поверхность полоски, магнитное поле воздействует на всю ее толщину. Благодаря этому достигается точный результат, даже если образец крови имеет мутную или темную окраску.
Тест позволяет измерить концентрацию маркера в пределах от 0,02 до 50 нг/мл. Нижний предел обнаружения составляет 21 пикограмм на миллилитр. Такая чувствительность в 45 раз превышает показатели обычных тестов с использованием магнитных частиц и значительно превосходит большинство коммерческих экспресс-тестов. Кроме того, тест предоставляет не только качественный результат, но и показывает конкретное числовое значение.
«Экспресс-тесты ранее сталкивались с дилеммой: либо высокая скорость и удобство использования, либо лабораторная точность. В данном случае удалось найти принципиально новое решение, которое позволяет избежать этого компромисса: вместо совершенствования привычных меток, они были заменены на активно функционирующие. Наноцепочки, находящиеся во вращающемся магнитном поле, самостоятельно перемешивают образец во время анализа и сами концентрируются на тестовой линии. При этом переработка тест-полоски оказалась практически не требуемой: мы используем стандартную нитроцеллюлозную мембрану, то есть вся инновация заключается в самих метках и в методе их считывания», – рассказывает ведущий автор исследования, старший научный сотрудник ИОФ РАН Алексей Орлов (выпускник МФТИ).
Исследователи выявили белок, способствующий связыванию жирных кислот (сБСЖК), который играет ключевую роль среди веществ, поступающих в кровь при повреждении сердечной мышцы. В отличие от тропонинов – регуляторных белков, отвечающих за сокращение сердца и являющихся общепринятым «золотым стандартом» в кардиологической диагностике, требующим нескольких измерений в течение 1-3 часов, сБСЖК обнаруживается в крови уже в первый час после начала приступа. Этот белок является ранним индикатором проблемы, однако для его регистрации требуется высокочувствительное оборудование.
Для идентификации этого белка исследователи применили инновационный подход, основанный на магнитных метках. Вместо традиционных сферических частиц они использовали вытянутые наноцепочки – нити из оксида железа, длина которых составляет приблизительно 1 микрометр (в сотни раз меньше диаметра человеческого волоса). На поверхность этих цепочек фиксируют антитела, специфичные к белку сБСЖК, что позволяет превратить наночастицы в своеобразные уловители сердечного маркера.
В статической жидкости молекулы белка перемещаются беспорядочно и надолго не могут найти антитела. Для ускорения этого процесса исследователи поместили наноцепочки в магнитное поле, создаваемое вращением. Цепочки начинают вращаться и обеспечивают интенсивное перемешивание крови в окружающем пространстве. Благодаря этому антитела взаимодействуют с белком во много раз быстрее.
Ученые выявили любопытный результат: наноцепочки, уже расположенные на поверхности полоски, под воздействием магнитного поля притягивают из крови новые цепочки, содержащие белок. Происходит самоподкрепление: по мере увеличения количества меток возрастает и интенсивность притяжения соседних частиц. При этом вращение способствует разрушению неспецифических, случайных связей, что уменьшает фоновые сигналы примерно вдвое. Сочетание этих факторов – увеличение полезного сигнала и снижение помех – обеспечивает чувствительность, недостижимую при использовании каждого из них по отдельности.
«Наиболее значимым открытием стало сочетание вращения и иммунохроматографии. На первый взгляд, кажется, что направленное движение жидкости через мембрану должно препятствовать вращению наноцепочек. Однако, в действительности, происходит обратное: капиллярный поток постоянно подаёт новый аналит, а вращение обеспечивает тщательное перемешивание в области связывания. В совокупности эти процессы демонстрируют более высокую эффективность, чем каждый из них по отдельности», – рассказал первый автор статьи, молодой ученый ИОФ РАН Юрий Малкеров.
Недостаточно просто выявить белок. Необходимо, чтобы тест не принимал его за другие соединения, присутствующие в крови. Инновационная методика успешно решает и эту задачу.
«Тестирование на панели ключевых белков, включая кардиомаркеры (тропонин, NT-proBNP) и онкомаркеры, не выявило ни одного ошибочного результата. Это имеет решающее значение для дальнейшего использования в клинической практике, так как позволяет разработать точный и быстрый тест, способный помогать в спасении жизней», – отметила соавтор статьи, аспирантка МФТИ Александра Ракитина.
Как отметил руководитель исследования, заведующий лабораторией ИОФ РАН Петр Никитин, новая система не предполагает изменения существующих тест-полосок, что позволяет сохранить их доступность и простоту производства.
«Основная особенность заключается в методе считывания и характеристиках наноцепочек. Ранее мы уже представили портативную версию устройства для регистрации магнитных нанометок, основанную на нелинейном перемагничивании и работающую от стандартных батарей. В будущем планируется объединить магнитный вращатель и регистратор в одном компактном приборе» , – рассказал Петр Никитин.
Прежде чем технология станет доступна для использования в медицине, необходимо проведение исследований на большом количестве пациентов, разработка удобного в использовании устройства и получение соответствующих разрешений. Однако сама платформа обладает широкими возможностями: магнитные наноцепочки, помещенные во вращающееся поле, можно модифицировать для выявления других труднообнаруживаемых биомаркеров, начиная от онкомаркеров и заканчивая пищевыми токсинами. Разработчики полагают, что данная технология позволит создать системы тестирования, способные по одной капле крови одновременно определять несколько показателей, свидетельствующих о повреждении сердца.
Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда на основании гранта № 25-12-00373).
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ