Микрочип против инфекций: разработанный учеными ЛЭТИ метод экспресс-диагностики микроорганизмов повысит эффективность использования антибиотиков

Микрочип против инфекций: разработанный учеными ЛЭТИ метод экспресс-диагностики микроорганизмов повысит эффективность использования антибиотиков

Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» совместно со специалистами Санкт-Петербургского НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера разработали экспресс-метод анализа инфекций, позволяющий осуществлять идентификацию микроорганизмов и тестирование их антибиотикорезистентности.

14.01.2019 618

Целью разработки является конструирование портативного гибридного устройства для мультипараметрической экспресс-диагностики патогенных микроорганизмов, способного усовершенствовать по времени анализа и точности культуральный метод микробиологического анализа, включая идентификацию и тестирование чувствительности к антибиотикам.

«В настоящее время, из-за отсутствия информации об этиологии инфекционного процесса, в подавляющем большинстве случаев выбор антибактериальных препаратов проводится эмпирическим путем, без учета резистентности к ним возбудителя болезни. Это приводит к формированию в организме человека устойчивых штаммов патогенных микроорганизмов, хронизации и носительству инфекций, инвалидности и даже гибели пациентов. Существующие методы in vitro диагностики инфекционных заболеваний централизованы, трудоемки и, что самое существенное, длительны и поэтому недостаточны для решения данной проблемы, непосредственно связанной с качеством и продолжительностью жизни населения», – рассказывает руководитель группы разработчиков, ведущий научный сотрудник Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Михайловна Зимина.

Применяемый сегодня в медицине традиционный культуральный (т. е. основанный на росте культур микроорганизмов и приобретении ими видовых свойств) метод с использованием чашек Петри, несмотря на высокую достоверность, является длительным (4-6 суток) и трудоемким. Ученые Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» предложили решить проблему с помощью диагностического средства нового поколения.

В основу проекта заложена концепция миниатюризации традиционного культурального метода микробиологического исследования за счет использования технологий МЭМС/НЭМС и микрофлюидики.

Учеными разрабатывается портативная диагностическая система на основе одноразовых миниатюрных интегрированных диагностических платформ – «лабораторий-на-чипе» (ЛНЧ) размером 60 мм х 90 мм х 10 мм. В них интегрированы: миниатюрный ростовой модуль на основе нанопористой пластины из анодного оксида алюминия, для выращивания живых бактерий до состояния ювенильных колоний (до 1000 КОЕ), с возможностью их отсоединения и переноса в модуль идентификации; модуль идентификации, включающий элементы микрофлюидики, логики и сортировки на основе мультисенсорики и с возможностью выделения патогенов и переноса в модуль тестирования антибиотикорезистентности (АБР); модуль тестирования АБР выделенных патогенов с целью выбора эффективного антибактериального препарата и оптимального метода лечения заболевания.

«Использование миниатюрных платформ для культивирования ювенильных колоний патогенных микробных клеток позволяет обеспечить упорядоченный рост индивидуальных микроколоний, их автоматическое перемещение в смежные модули идентификации, сортировку и транспорт выделенных патогенов в ростовые модули для тестирования чувствительности к антибактериальным препаратам».

Ведущий научный сотрудник Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Михайловна Зимина

Идентификация ювенильных колоний проводится в реальном масштабе времени. На низшем уровне с помощью регистрации сигналов сенсоров, включая КМОП сенсор и алгоритмы распознавания образов, оптический сенсор, импедансный сенсор и др. На высшем – с использованием алгоритмов вычисления оценок сходства распознаваемого и эталонных объектов по системе ансамблей признаков. Определение жизнеспособности микроколоний в модулях тестирования чувствительности к антибиотикам осуществляется методом многоканальной ближнепольной динамической турбидиметрии, методом измерения импеданса.

Основные технические и функциональные параметры диагностической системы: время анализа 6-8 часов; количество видов патогенов, выделяемых из одной пробы – 2-4; количество видов идентифицируемых патогенных и условно патогенных бактерий – 20; количество антибиотиков в одном тесте – не менее 10. Размер портативного прибора не превышает 100 мм х 150 мм х 200 мм.

«Использование микробиологической ЛНЧ позволяет радикально сократить время микробиологического анализа, повысить его точность и, благодаря портативности, сделать его децентрализованным и доступным для широкой врачебной практики. Это поможет врачу принять оперативное решение по эффективной антибактериальной терапии инфекционного заболевания, значительно сократив ее нежелательные последствия».

Ведущий научный сотрудник Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Михайловна Зимина

На сегодняшний день разработчиками определены основные параметры объектов экспресс-микробиологического анализа, создана библиотека визуальных образов микроколоний. Разработаны основные подсистемы и функциональные элементы одноразового гибридного устройства, включая предварительную обработку пробы, выращивание ювенильных колоний микроорганизмов, их транспорт и позиционирование, идентификацию, оценку жизнеспособности микроорганизмов при воздействии антибиотиков, обработку данных. Рассматриваются различные технологии интеграции устройства с использованием пленочных технологий и подходов гибкой электроники.

Учеными ЛЭТИ и Института Пастера получен патент на изобретение способа выращивания колоний микробных клеток и устройство для его реализации. По оценке разработчиков, аналогов этому прибору на сегодняшний день в мире не существует.

Разработанное петербургскими учеными средство диагностики перспективно с точки зрения развития трансляционной медицины. В ближайшее время планируется воплощение разработки в промышленное производство.

Материал газеты «Известия», посвященный разработке