Новые методы детекции единичных молекул
Исследователи из Института физических измерительных технологий Фраунгофера (Fraunhofer IPM) совместно с Мюнхенским университетом имени Людвига и Максимилиана разработали платформу для быстрого обнаружения полирезистентных патогенов. Уникальная особенность: для детекции возбудителя достаточно даже одной молекулы ДНК. В будущем система может быть внедрена как часть диагностики у постели больного (point-of-care) в больничных палатах или клиниках в качестве альтернативы или дополнения к ПЦР-анализу. Система будет представлена на выставке MEDICA 2021.
Детекция патогена на основе молекул ДНК
Портативная компактная тест-платформа оснащена автоматизированной жидкостной системой. Все необходимые реагенты хранятся внутри системы. Микрофлюидный чип, изготовленный методом литья под давлением, помещается в лоток, где через жидкостную систему подаются реагенты перед проведением оптического анализа. Детектируется часть цепи ДНК патогена. Даже одной молекулы ДНК, связавшейся со специфичным сайтом на чипе, достаточно для анализа. В чип интегрированы флюидные каналы, поверхности которых подготовлены с сайтами связывания для конкретных патогенов.
Наноантенны усиливают флуоресцентные сигналы
Обычно целевые молекулы ДНК детектируются с помощью специфичных флуоресцентных меток. В новом методе используются антенны с наночастицами, которые усиливают оптические сигналы этих меток. Благодаря этому химическая амплификация с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) не требуется. Оптические антенны состоят из металлических наночастиц, которые концентрируют свет в крошечной области и помогают его излучать.
Результат через час
Структура молекул ДНК, известная как «ДНК-оригами», специально разработанная университетом, удерживает две золотые наночастицы на месте. Между этими наночастицами структура предоставляет сайт связывания для целевой молекулы и флуоресцентной метки. Частицы размером 100 нанометров служат антеннами. В «горячей точке» между двумя золотыми частицами происходит усиление поля благодаря плазмонным эффектам. Если там разместить флуоресцентный краситель, обнаруживаемое длинноволновое флуоресцентное излучение усиливается многократно. Таким методом можно детектировать единичную молекулу с помощью небольшого компактного оптического устройства.
Можно обнаруживать низкие концентрации патогенов. Результат доступен через час и отображается на мониторе. Это справедливо не только для полирезистентных патогенов, но и для любого типа молекул ДНК. В принципе, анализ единичных молекул можно адаптировать и для других молекул, таких как РНК, антитела, антигены или ферменты. Функциональность процесса успешно подтверждена многочисленными тестами.
В основе устройства POC — миниатюрный флуоресцентный микроскоп высокого разрешения, разработанный Fraunhofer IPM. Специально разработанное ПО для анализа изображений идентифицирует отдельные молекулы, что позволяет подсчитывать захваченные целевые молекулы и получать количественный результат. Флуоресценция стимулируется с помощью светодиодов, закреплённых под картриджем с флюидными каналами.
Запатентованная система доступна для демонстрации. В настоящее время ещё отсутствует модуль для подготовки проб. Система POC для детекции специфичных патогенов будет представлена с 15 по 18 ноября 2021 года на выставке MEDICA в Дюссельдорфе, Германия.