Команда исследователей из Сколтеха, Высшей школы экономики, МПГУ и НИТУ МИСИС добилась новых успехов в разработке «лаборатории на чипе» — компактного сенсорного прибора для биохимического анализа. На примере пленок из сывороточного альбумина ученые доказали, что поверхность чипа можно модифицировать для избирательного анализа многокомпонентных растворов. Чип позволит проводить точный анализ крови по 3–5 микролитрам и в перспективе поможет медикам обнаруживать специфические маркеры болезней.
«Чип соразмерен с пятирублевой монетой. Но при этом на его поверхности можно создать десятки чувствительных устройств, подвести к ним микрофлюидные каналы, модернизировать поверхность каждого из сенсоров и создать прототип “лаборатории на чипе”», — считает один из разработчиков новой технологии, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ и МПГУ Григорий Гольцман.
Практически любое медицинское обследование начинается с назначения анализов. Чаще всего пациенты сдают общий анализ крови. Он позволяет оценить содержание гемоглобина, количество эритроцитов и лейкоцитов и т.д. Иногда для анализа важен не целый ряд показателей, а только один компонент. Например, необходимо определить количество экзосом — микроскопических внеклеточных везикул (пузырьков), повышенная концентрация которых в плазме крови свидетельствует о развитии онкологии.
В лаборатории это делают с помощью чувствительных датчиков: их поверхность модифицируют специальным слоем, который связывается только со специфичными экзосомами и «вылавливает» их из раствора для анализа. На некоторых устройствах процедура требует нескольких действий: сначала наносят слой на поверхность датчика, а затем на дополнительном оборудовании проверяют его качество. Авторы исследования показали, как можно упростить проверку и с помощью датчиков на самом чипе отслеживать модификацию поверхности.
Для этого ученые провели ряд экспериментов на подложке чипа: на нее наносились тонкие пленки из белка. Чип состоит из трех частей: микрофлюидных каналов, через которые прокачиваются вещества, нитрид-кремниевой подложки, на поверхности которой создают пленки, и интерферометра, который измеряет оптическую плотность веществ. Микрофлюидный канал расположен над чувствительной частью одного из плеч интерферометра.
В экспериментах на чувствительную поверхность фотонных датчиков наносили пленки из белка и дубильной кислоты. Сначала через микрофлюидные каналы прокачивали белок (сывороточный бычий альбумин), промывали излишки деионизованной водой, затем прокачивали дубильную кислоту и снова наносили слой из белка. Каждый слой анализировали с помощью оптических показаний интерферометра.
«У оптических датчиков чипа высокая чувствительность, но низкая специфичность к компонентам растворов. Во-первых, нам удалось повысить специфичность благодаря модификации поверхности датчика пленкой из молекул, чувствительной только к одному компоненту из раствора. Во-вторых, процесс нанесения покрытия контролировался самим сенсором в реальном времени», — объясняет профессор Сколтеха Дмитрий Горин.
Ученые продолжат работать над созданием «лаборатории на чипе» — прибора для биохимического анализа сразу нескольких компонентов по минимальному количеству биологических жидкостей, например по одной капле крови. Для этого планируется объединить несколько устройств.
«Одновременная работа всех сенсоров на приборе после модификации поверхности каждого из каналов позволит анализировать 3–5 микролитров крови на наличие маркеров и поставить предварительный диагноз пациенту», — поясняет один из авторов статьи, выпускник ВШЭ, аспирант Сколтеха Алексей Кузин.