Ученые ЛЭТИ создают мультифункциональный биочип для диагностики хронических заболеваний

Ученые ЛЭТИ создают мультифункциональный биочип для диагностики хронических заболеваний

Новая технология, основанная на анализе массивов белков-маркеров в биологических жидкостях с помощью мультимодальных биочипов, позволит проводить экспресс-диагностику хронических заболеваний.

06.04.2021 588

Сегодня важнейшей проблемой биомедицинского анализа является оперативная диагностика хронических заболеваний – в частности, диагностика сердечно-сосудистых заболеваний, которые, согласно данным ВОЗ, являются основной причиной смертности населения. Своевременность диагностики и оказания помощи часто является решающим фактором, определяющим прогноз развития заболевания. Основным средством доклинической диагностики в настоящее является электрокардиография, которая, однако, часто не позволяет идентифицировать развивающийся инфаркт миокарда.

«Сегодня отмечается рост распространенности хронических и системных заболеваний у населения, таких как сердечно-сосудистые заболевания – инфаркт, инсульт, хроническая сердечная недостаточность, ревматоидный артрит, системный склероз, панкреатит и другие. На фоне распространения ВИЧ/СПИД, туберкулеза и малярии эти проблемы кажутся менее значимыми, однако статистика ВОЗ показывает, что именно хронические заболевания приводят к сокращению продолжительности жизни, повышению времени нетрудоспособности, инвалидизации и пр. Поэтому сейчас важна дешевая, своевременная и точная диагностика хронических заболеваний для их успешного лечения и предупреждения развития». 

Доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Михайловна Зимина

Более надежным, по мнению ученых, является подтверждение диагноза с помощью биохимических методов, а именно с помощью анализа биомаркеров заболеваний в крови. Ученые ЛЭТИ предложили использовать новые подходы при создании тестов – идентификацию групп белков-маркеров, которые позволяют точнее диагностировать заболевание (протеомика), а также применение биоинформатики при разработке тест-систем и некоторые другие.

«В настоящее время выявлено большое количество белковых биомаркеров заболеваний, на основе определения которых в биологических жидкостях можно строить диагностические линейки, позволяющие оперативно принимать решения по каждому пациенту. Однако существующие средства биохимической диагностики хронических заболеваний являются дорогостоящими и трудоемкими, также некоторые из них обладают неудовлетворительной точностью. Одна из задач биохимической диагностики хронических заболеваний сегодня – экспресс-диагностика», – рассказывает Т.М. Зимина.

Исследование группы ученых СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Разработка научных основ создания экспертной системы для экспресс-диагностики хронических заболеваний на основе анализа массивов белков-маркеров в биологических жидкостях с помощью мультимодальных биочипов» направлено на поиск путей создания дешевой и универсальной системы на основе биочипа для экспресс-диагностики хронических заболеваний.

В 2021 году проект ученых ЛЭТИ поддержан грантом РНФ и рассчитан на четыре года, его ежегодное финансирование составляет 6 млн рублей. Работы проводятся совместно с Центром доклинических и трансляционных исследований ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава РФ (Петербург).

В научной группе заняты специалисты в области биофизики, информационных технологий, микро- и наноэлектроники, биохимии, нанотехнологии, точной механики и других.

«В проекте существует три взаимодополняющих направления реализации: моделирование пространственных структур белков с использованием биоинформационного подхода, верификация результатов моделирования с экспериментальными результатами анализа биохимических свойств белков и разработка лабораторий-на-чипе, реализующих экспресс-диагностику заболеваний».

Руководитель направления «Перспективные беспроводные технологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Олег Александрович Маркелов

На первом этапе ученые ЛЭТИ соберут библиотеку белков-маркеров и систематизируют ее для создания диагностических доменов, характеризующих то или иное заболевание: рассеянный склероз, хроническая болезнь печени, хроническая сердечная недостаточность, болезнь Альцгеймера, ревматоидный артрит, cистемная красная волчанка, cистемный склероз, артрит, подагра, бронхиальная астма, хронический бронхит, эмфизема, панкреатит и другие. На втором этапе будет разработана компактная гибридно-интегрированная плата (биочип). Ученые научат ее распознавать различные маркерные белки заболеваний с высокой точностью и выборочно их фиксировать. Кроме того, по проекту будет разработана методология диагностики хронических заболеваний с помощью биочипов. Исследователи ЛЭТИ уже приступили к систематизации известных биомаркеров, связанных с физиологическими параметрами человека.

«Наша часть группы отвечает за информационное моделирование и визуализацию пространственных структур белков, разработку алгоритмов поиска участков связывания белков на основе ИИ. Сложности заключаются в том, что задача требует больших вычислительных ресурсов, а также наличия мощной экспериментальной базы. Мы будем создавать вычислительно эффективные алгоритмы с помощью использования экспериментальной базы Центра Алмазова». 

Доцент кафедры автоматики и процессов управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Ильич Каплун

К 2024 году ученые ЛЭТИ совместно с коллегами из Алмазовского центра разработают систему на основе биочипа для экспресс-диагностики хронических заболеваний. Для анализа пациенту будет необходимо сдать образцы крови или слюны. Результат исследований будет получен в течение получаса, что в десятки раз быстрее традиционных анализов крови. После получения экспресс-результатов пациента врач сможет принять решение о необходимости более тщательных количественных исследований. Использовать такую экспресс-систему можно будет в частных и государственных лабораториях, а также в исследовательских центрах и амбулаторно.

Заделом для проекта стали разработки ученых Инжинирингового центра микротехнологий и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Его сотрудники разработали принципы и реализовали программы для топологического кодирования белковых структур на основе создания библиотеки пента-фрагментов и системы сопряженных ионно-водородных связей. В ЛЭТИ на протяжении ряда лет развивается направление исследований и разработок мультимодальных биосенсоров для экспресс-определения биомаркеров, вирусов и микроорганизмов, включая биомаркерную диагностику острого инфаркта миокарда, стресса, экспресс-диагностику коронавируса SARS-CoV-2 с помощью пептидов. Разработаны научные и технологические основы создания биочипов для идентификации патогенов и тестирования их антибиотикорезистентности. Партнерами вуза являются НИИ гриппа Министерства здравоохранения РФ, НИИ особо чистых биопрепаратов, Санкт-Петербургский НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Первый Медицинский университет им. И. П. Павлова.

Проект находится в русле научно-технологического развития РФ и соответствует направлению «Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных)».