ПЦР-лабораторию уместили на микрочипе

Опубликовано: 2017-03-26 Создан микрофлюидный чип, который проверяет наличие ДНК патогенов в образце крови. Устройство имеет небольшой размер, работает быстро и без электричества и при этом весьма дешево в производстве. Описание чипа опубликовано в журнале Science Advances.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод молекулярной биологии, позволяющий увеличить изначально низкую концентрацию заданной последовательности ДНК в растворе так, что ее присутствие становится детектируемым визуально. В медицине эта техника широко применяется для того, чтобы проверить наличие того или иного патогена в образце крови. Однако для проведения реакции требуется оборудование — центрифуга для отделения клеток крови от плазмы и термоциклер для поддержания температурного режима реакции. Если же проводится ПЦР в реальном времени, которая определяет количество ДНК в образце, то термоциклер должен быть оснащен еще и флуоресцентным детектором. Всё это оставляет метод применимым только внутри лаборатории.

Для решения проблемы ученые из Калифорнийского университета в Беркли разработали микрофлюидный чип SIMPLE (Self-powered Integrated Microfluidic Point-of-care Low-cost Enabling) для проведения ПЦР, который работает автономно. Он представляет собой плашку из полидиметилсилоксана, на которой расположены лунки, соединенные каналом и содержащие активатор реакции. Каплю крови помещают в начало канала, по которому она движется, постепенно заполняя все лунки. При этом они отделены от канала порогом, который пропускает плазму, но не клетки крови, что позволило разработчикам чипа избавиться от стадии центрифугирования.



По каналу кровь движется за счет вакуумной системы, которую авторы чипа называют «легким». Оно состоит из вакуумного отсека, который медленно отсасывает воздух из емкостей чипа через тонкие газопроницаемые стенки. Чип имеет два «легких», одно из которых тянет кровь вдоль канала, а другое — затягивает ее в лунки. Для того, чтобы система не начинала работать раньше времени, чипы хранят в вакуумной упаковке.

Чтобы чип мог определять количество ДНК в крови, авторы реализовали в нем метод цифровой ПЦР. Его суть в том, что реакционную смесь разделяют на множество микрообразцов, в которых реакция идет параллельно — на чипе это происходит в отдельных лунках. После реакции флуоресценция позволяет определить, в какие микрообразцы попали молекулы ДНК, а в какие — нет. Доля светящихся микрообразцов (в случае чипа — лунок) пропорциональна концентрации искомой последовательности ДНК в исходном образце. Единственный минус для портативного чипа в том, что для подсчета лунок необходим микроскоп.

Вдобавок ко всему авторы используют модификацию ПЦР, которая не требует температурных циклов, а проводится при постоянной температуре. Поэтому для работы чипа достаточно многоразовой солевой грелки.

На обработку одного образца на чипе уходит всего полчаса, при этом все устройство умещается на ладони, и стоимость материалов для одной штуки не превышает десяти долларов. Пока он предназначен только для детекции ВИЧ и метициллин-устойчивого золотистого стафилококка (MRSA), но в дальнейшем его, конечно, планируют приспособить и для других патогенов, например, вируса Эбола или малярийного плазмодия.

Анна Образцова



N+1