Традиционная медицинская диагностика устроена громоздко и медленно. Врачи берут кровь у пациента, упаковывают пробирку и отправляют ее в стационарную лабораторию. Там специалисты используют центрифуги, экстракционные приборы и дорогие реагенты для очистки образца. В бедных регионах или отдаленных уголках планеты этот процесс затягивается. Люди не получают помощь вовремя, хотя при таких болезнях, как лихорадка Зика или гепатит С, ранняя диагностика критически важна для успешного лечения.

Исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне решили изменить этот подход. Они создали протокол тестирования, который работает прямо там, где находится пациент. Никаких сложных лабораторных этапов очистки крови больше не требуется. О результатах своей работы авторы рассказали в авторитетном научном журнале Science Advances.

Переосмысление технологии сухих капель

Обычно ученые пытаются уменьшить лабораторное оборудование, чтобы перенести его в полевые условия. Но инженеры из Иллинойса пошли другим путем. Они полностью пересобрали процедуру диагностики с нуля, взяв за основу технологию сухих капель крови. Этот способ давно применяют для скрининга ВИЧ и гепатита B: у человека берут пару капель крови из пальца и дают им высохнуть на воздухе.

В классическом варианте высушенный образец все равно отправляют в лабораторию для анализа обученным персоналом. Новая разработка позволяет провести полный анализ на месте без потери чувствительности. Сначала образец цельной крови нагревают, чтобы высушить его и сохранить вирусную РНК. Затем проводится амплификация — копирование генетического материала вируса, после чего результат считывают с помощью флуоресценции. Весь процесс занимает всего несколько часов.

«Мы хотим перенести диагностику туда, где собирают образец. Основная парадигма раньше сводилась к копированию лабораторных подходов, но это всегда снижало точность. Наша работа переосмысливает процедуру с самого начала», — поясняет ведущий автор исследования Джонвон Лим, бывший постдок Иллинойса и действующий научный сотрудник Бродского института при MIT и Гарварде.

Борьба с нестабильностью РНК в крови

Создать эту технологию оказалось непросто. Ранее та же команда, объединившая лаборатории профессоров Рашида Башира и Брайана Каннингема, уже экспериментировала с поиском ДНК-мишеней с помощью так называемых двухфазных реакций. Метод помогал избежать потери образцов и сохранял высокую точность даже при низкой концентрации целевого вещества.

Когда исследователи переключились на РНК-вирусы, они рассчитывали быстро перенести наработанный опыт. Однако РНК оказалась крайне нестабильной в цельной крови. Ферменты, которые естественным образом содержатся в крови человека, мгновенно разрушают цепочки РНК на мелкие, неразличимые обрывки. Обычный нагрев при обработке образца только ускоряет этот опасный распад.

Джонвон Лим провел сотни экспериментов с самыми разными комбинациями реагентов, систематически изучая механику разрушения и неудачи амплификации. Ему удалось найти способ предотвратить деградацию на каждом этапе процедуры. Авторы уверены, что этот технологический прорыв поможет в будущем выявлять и другие опасные инфекции, вызванные РНК-вирусами, такие как лихорадка Эбола или лихорадка Ласса.

Портативное оборудование для полевых условий

Чтобы провести тест, специалистам не нужна стационарная аппаратура. Понадобится лишь портативный нагреватель и компактный флуоресцентный считыватель. Карманное устройство для чтения результатов разработала исследовательская группа профессора Каннингема на базе кафедры электротехники и компьютерной инженерии. Ранее они подробно описали прибор в издании IEEE Sensors Journal.

Оба прибора потребляют минимум энергии и могут легко развертываться в полевых условиях. Новая разработка открывает огромные перспективы для медицины в развивающихся странах, где пациентам часто недоступна своевременная диагностика из-за удаленности медицинских центров.