Чип и дарпины спешат на помощь: разработан метод обнаружения рака на ранних стадиях

В лабораторной диагностике рака широко используется анализ на онкомаркеры — ​специфические вещества, ассоциированные с опухолями. Методы их обнаружения требуют времени и дорогих реагентов. Ученые во всем мире ищут высокочувствительные и менее затратные способы скрининга. Одно из решений, использование оптических чипов, предложил коллектив московских ученых.

Специалисты Университета науки и технологий «МИСиС», Сколковского института науки и технологий и Национального медицинского исследовательского центра акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика Кулакова создали платформу для диагностики рака яичников и молочной железы на ранних стадиях.

В основе платформы — ​оптические чипы. В отличие от электронных, они «работают» с фотонами. «Основная особенность этих чипов заключается в умении «чувствовать» состав вещества, в котором они находятся. Обычно это воздух, — ​поясняет заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров МИСиСа Вадим Ковалюк. — ​Если мы меняем окружающее вещество, например, на вещество с большим показателем преломления по сравнению с воздухом, то увеличивается оптический путь света, и коэффициент передачи устройства меняется».

Вначале ученые экспериментировали с простыми растворами, в частности со смесью спирта и воды. Чип безошибочно определял концентрацию обоих компонентов. Но так как свет реагирует на средний показатель преломления окружения, то способ не универсален: трудно определить концентрацию компонентов, если их больше двух. Нужны были селективные чипы, которые захватывали бы из раствора только самое важное — ​фактически искали иголку (полезное вещество) в стоге сена (растворе).

Исследователи покрыли поверхность чипа специальными рецепторами — ​дарпинами (DARPin, designed ankyrin repeat proteins — ​сконструированные белки с анкириновым повтором). Дарпины захватывают определенные вещества из сложного раствора. Чем больше материала захватил белок, тем сильнее меняется коэффициент передачи на чипе.

Дарпины могут выбирать из сложного раствора экзосомы — ​пузырьки с мельчайшими кусочками белков, РНК, липидов. Еще недавно ученые считали эти внеклеточные везикулы «мусором». Однако оказалось, что экзосомы — ​своеобразные СМС, которыми обмениваются клетки. Есть прямая связь между количеством этих пузырьков и стадией онкологического заболевания.

Оптический чип с дарпинами захватывает экзосомы с рецептором HER2, участвующим в регуляции роста и размножения клеток. Но разработка универсальная: к чипу можно присоединить дарпины, захватывающие «сообщения» не только об онкологии, но и о вирусах, например SARS-CoV‑2 и др.

«Конечно, мы столкнулись с рядом сложностей. Во-первых, сейчас в России, к сожалению, очень мало чистых зон с высокотехнологичным оборудованием для изготовления чипов. Чистая зона — ​это пространство, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц. Так как размер волновода, по которому распространяется свет, менее микрометра, то в процессе изготовления любая пылинка может привести к дефекту и негодности устройства. Во-вторых, мы долго думали над тем, как прикрепить дарпины, чтобы они не смывались другими веществами и не теряли чувствительности. Получился этакий слоеный пирог», — рассказывает лаборант-исследователь Алексей Кузин.

Устройство испытали на растворах, в которых концентрация экзосом была известна заранее. Результаты совпали с исходными данными. Следующим этапом эксперимента станет тестирование на неподготовленном растворе или на крови пациента. Точность тестирования подтвердят дополнительными экспериментами и сравнят с результатами более сложных и дорогостоящих методик, которые используются сейчас.

Пока процедура занимает 20 минут, но станет гораздо быстрее, отмечают ученые. После забора кровь по микрофлюидным каналам попадает на чип, тот за 40 секунд ее сканирует. Обработку результата со временем автоматизируют — ​врач будет почти моментально получать ответ о наличии и стадии заболевания.

«Мы первыми в мире показали возможность помещать селективные дарпины на оптический чип и с их помощью определять ультрамалые концентрации экзосом в крови. Теперь наша цель — ​довести разработку до конечного потребителя. Надеемся, что в дальнейшем мы дополним устройство множеством параллельных каналов и разнообразных дарпинов, чтобы исследовать кровь на несколько заболеваний одновременно», — ​говорит инженер лаборатории Ирина Флоря.