В НОЦ ФМН разработана лаборатория-на-чипе для определения вирусной или бактериальной природы инфекции

Ученые и инженеры НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы совместно с ИБХФ РАН разработали и экспериментально апробировали микрофлюидное устройство для автоматического разделения бактерий и вирусов в анализируемой пробе. Помимо этого команде удалось добиться увеличения концентрации бактерий в ходе процесса сепарации для последующего быстрого детектирования. Эффективность нового метода, не имеющего сегодня микрофлюидных аналогов в мире, достигла 81% (результаты опубликованы в журнале Scientific Reports, Nature Publishing Group). Разработанная система и предложенный алгоритм обеспечивают автоматизированную циклическую фильтрацию стандартных проб (объемом до нескольких миллилитров) за несколько минут. Изобретение найдет применение в портативных устройствах диагностики и лабораториях-на-чипе для выявления широкого круга патогенных угроз персоналом без специальной медицинской подготовки.

Микрофлюидные диагностические устройства – одни из самых ожидаемых девайсов в медицине, которые обеспечат одновременно непревзойденную точность и скорость анализов при компактных размерах прибора. Появление функционирующих лабораторий-на-чипе откроет новые возможности для индивидуального контроля параметров здоровья человека, обеспечения биологической безопасности в общественных местах и сверхточной диагностики в целом, что особенно критично в условиях пандемии опасных заболеваний.

Команде НОЦ ФМН удалось приблизить появление таких микролабораторий путем разработки метода автоматического разделения вирусов и бактерий с последующей преконцентрацией на микрофлюидном чипе. Возможность проведения таких операций на чипе кардинально снижает необходимый для анализа объем пробы и сверх дорогостоящих реагентов, ускоряет анализы и повышает эффективность диагностики для определения корректного протокола лечения. Более того, выделение из пробы вирусов и бактерий в «чистом» виде дает возможность исследования геномики патогенов и изучения их резистентности к назначаемым лекарствам.

Новый метод позволяет выделять патогены из проб объемом от 0,1 мл до нескольких миллилитров и является цикличным: в конце каждого цикла сепарации микрофлюидная система приводится в исходное состояние и готова к разделению следующей порции пробы. В каждом цикле работы на выходных каналах системы получают фильтрат (вирусы) и концентрат (бактерии), которые затем могут обрабатываться или анализироваться раздельно. В рамках контрольных экспериментов командой исследователей успешно проведена сепарация суспензии, содержащей фракции частиц диаметром 0,5-2 мкм и 0,1 мкм, что соответствует размерам бактерий и вирусов, а также преконцентрация из пробы клеток бактерий E.coli.

Эффективность нового метода сепарации (по бактериям E.coli) составила 81% при скорости 120,45 мкл/мин – это показатель на уровне мировых результатов в данной области. В режиме увеличения концентрации достигнут результат 536% при скорости обработки пробы 1,98 мкл/мин.

Мировое ноу-хау: микрофлюидный чип и экспериментальная установка

Разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана микрофлюидный чип с шестью интегрированными мембранными клапанами выполнен из трех слоев PDMS на стеклянной подложке – биосовместимого и химически нейтрального материала, подходящего для оптических наблюдений за пробой в микрофлюидном чипе.

«Наш чип спроектирован по типу «слоеного пирога», причем каждый слой выполняет свою задачу. Нижний – предназначен для пневматических линий управления клапанами, средний слой состоит из тонкой эластичной мембраны – подвижного рабочего элемента клапанов, а в верхнем расположены микрофлюидные каналы с субмикронной шероховатостью для проведения операций с жидкими биологическими пробами. Для эффективного разделения патогенов мы использовали фильтрацию через поры размером не более 0,45 мкм, что в комплексе обеспечило скорость сепарации на мировом уровне», – отметил Виталий Рыжков, аспирант НОЦ ФМН.

Для тестирования микрофлюидного чипа разработана экспериментальная установка на базе микрофлюидного контроллера для переключения мембранных клапанов, системы контроля на базе микроскопа с высокоскоростной камерой и ПК управления. Все этапы эксперимента, проведенного совместно с учеными ИБХФ РАН, включая подачу пробы, управление процессом сепарации, снятие данных и забор проб, осуществлялись автоматически с использованием оборудования ведущих мировых производителей в области микрофлюдики. Микрофлюидный чип и экспериментальная установка спроектированы и изготовлены командой НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы.

«Капля крови для сложнейшего анализа за несколько минут? Невероятно, но это наше будущее, основа которого – микрофлюидные технологии, – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН. – Исследования в этой области крайне сложны и проходят на стыке различных наук: от физики и бионанотехнологий до вирусологии и фармацевтики. Разработанное командой устройство автоматической сепарации и преконцентрации вирусов и бактерий станет одним из ключевых функциональных узлов будущей микролаборатории и приближает нас к появлению гаджета, которое упростит жизнь многих людей. Отмечу отдельно, что решений со сопоставимой эффективностью сегодня в России и в мире нет».

Разработки в области микрофлюидики команда НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы ведет с 2016 года. За эти 5 лет разработана технологическая платформа создания многослойных микрофлюидных чипов с интегрированными клапанами, интегральные устройства высокоточного управления потоками жидких реагентов на чипе, серия микрофлюидных устройств для высокоточного смешения реагентов на чипе, а также несколько прототипов универсального устройства управления лабораториями-на-чипе. 

Данные публикации:

Cyclic on-chip bacteria separation and preconcentration

Vitaly V. Ryzhkov, Alexander V. Zverev, Vladimir V. Echeistov, Mikhail Andronic, Ilya A. Ryzhikov, Igor A. Budashov, Arkadiy V. Eremenko, Ilya N. Kurochkin, Ilya A. Rodionov

Scientific Reports, Vol. 10, 21107, 2020

https://www.nature.com/articles/s41598-020-78298-y