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 3266
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».
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».
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
