Dėl didelio tikslumo laboratoriniai polimerazės grandininės reakcijos (PGR) tyrimai yra auksinis infekcinių ligų diagnostikos standartas. Tačiau PGR technologija reikalauja gerai apmokytų darbuotojų ir brangios įrangos, o tai trukdo jos prieinamumui, ypač naudojant mažai išteklių. Nauji tyrimai rodo, kad kitokio tipo bandymai gali būti supaprastinti neprarandant našumo.
Konektikuto universiteto mokslininkų sukurta platformos technologija naudoja panašius metodus kaip PGR bandymai, tačiau nešiojamajame įrenginyje, o ne keliose stalinėse mašinose.
Tyrime, paskelbtame m Pažangus mokslas, autoriai nustatė, kad įrankis gali aptikti du virusus, ŽIV ir SARS-CoV-2, panašiu našumo lygiu kaip ir PGR tyrimas. Dėl kainos, greičio ir perkeliamumo pranašumų, palyginti su tradiciniais metodais, naujoji technologija gali padaryti galingą infekcinių ligų diagnostiką plačiau.
„Kaip sužinojome pandemijos metu, patikima ir patogi diagnostika yra labai svarbi kovojant su infekcinių ligų plitimu“, – sakė Nacionalinio biomedicininio vaizdo gavimo ir bioinžinerijos instituto Sveikatos informatikos technologijų skyriaus programos direktorė Tiffani Lash. (NIBIB).
„Tokios naujovės, kurios suteikia papildomų labai jautrių ir tikslių tyrimų, gali tapti neįkainojama priemone greitai diagnozuoti įvairias infekcines ligas.
Kai kurie dažniausiai atliekami infekcinių ligų testai aptinka virusinę medžiagą, vadinamą antigenais, arba baltymus, kuriuos gamina imuninė sistema reaguodama į infekciją, vadinamą antikūnais. Nepaisant šių testų, įskaitant dabar paplitusius COVID-19 greituosius antigenų tyrimus, patikimumo, greičio ir plataus prieinamumo, PGR testas vis dar turi pranašumą dėl tikslumo, kuris gali būti beveik 100%.
PGR technologijos, kaip diagnostikos priemonės, stiprumą lemia jos gebėjimas tiesiogiai aptikti patogenų genetinę medžiagą, pvz., RNR. Šis metodas suteikia didesnį specifiškumą, o tai reiškia, kad mažiau tikėtina, kad nepatogenines daleles supainios su taikiniu ir bus gautas klaidingai teigiamas rezultatas. PGR tyrimas taip pat sustiprina taikinį, kurio jis ieško, kad jis būtų jautrus mažesniam patogeninės medžiagos kiekiui, o tai reiškia, kad galima aptikti net ir mažą infekcijos lygį.
Esant dabartinei situacijai, pacientai ir sveikatos priežiūros paslaugų teikėjai dažnai turi rinktis iš technologijos, kurią lengva pasiekti ir naudoti, arba aukštos kokybės technologiją. Konektikuto universiteto biomedicinos inžinerijos profesorius Changchun Liu su kolegomis siekė sugriauti šią dichotomiją.
Atitinka aukso standartą
Grupės pasiūlytas sprendimas yra laboratorija magnetofluidinis vamzdis (LIAMT) – įrenginys, sudarytas iš 1,5 mililitro vamzdžio, kuriame yra 3D spausdintas įdėklas ir belaidis delninis procesorius. Nors PGR bandymas apima kelių stalinių mašinų naudojimą, LIAMT yra nešiojamasis vieno langelio centras, atliekantis panašius procesus.
Pagrindiniai skirtumai leidžia drastiškai sumažinti aparatinę įrangą ir supaprastinti naudotojų mokymą, paaiškino Liu. Vienas iš pagrindinių skirtumų yra tai, kaip LIAMT išskiria genetinę medžiagą iš biologinių mėginių.
Kadangi tradiciniai metodai remiasi greitai besisukančiomis mašinomis, vadinamomis centrifugomis, kad atskirtų lengvesnes nukleino rūgštis nuo likusio mėginio, LIAMT remiasi magnetizmu.
Vamzdelyje esantys mažyčiai magnetiniai rutuliukai prilimpa prie mėginyje esančios virusinės RNR, pritraukdami molekules elektrinius krūvius. Tada, kai vartotojas įdeda vamzdelį į delninį procesorių, įrenginio viduje esantis magnetas traukia RNR surištus rutuliukus per kelis vamzdelio plovimo etapus, išfiltruodamas nepageidaujamas medžiagas.
Išskyrus genetinę medžiagą, PGR technologija nukopijuoja tam tikrus viruso genetinio kodo ruožus nuo milijonų iki milijardų kartų, kad jį būtų galima lengviau aptikti. Šis žingsnis apima daugybę šildymo ir aušinimo ciklų, kad būtų lengviau atskirti suporuotas nukleorūgščių grandines ir vėlesnį jų dubliavimą, kuriam reikalinga specializuota terminio ciklo įranga.
Vietoj to LIAMT įtraukta naujausia PGR alternatyva, kurioje naudojami specialūs baltymai, galintys suskaidyti ir amplifikuoti nukleorūgščių grandines žemoje ir pastovioje temperatūroje.
Po stiprinimo belaidis LIAMT įrenginys įkaitina mėginį keliais laipsniais, ištirpdydamas vaško barjerą mėgintuvėlyje ir išskirdamas CRISPR fermentų tirpalą, dėl kurio skleidžiamas fluorescencinis signalas, kai jie prisijungia prie savo taikinio.
Jei pradiniame mėginyje buvo pakankamai virusinės RNR, tą signalą galima matyti per mažą LIAMT įrenginio langelį, nurodant teigiamą tyrimo rezultatą.
Nereikalaujantis centrifugos ir terminio ciklo, nešiojamasis LIAMT gali būti naudojamas klinikoje ar namuose. Diagnostikos įrankis taip pat gali duoti rezultatus maždaug per valandą, o tai yra daug greičiau, nei paprastai trunka PGR tyrimas, nes tyrimo vietose dažnai nėra reikiamos įrangos (tai reiškia, kad mėginiai turi būti gabenami iš vietos analizei).
Tačiau prieinamo įrenginio kūrimas buvo tik pusė darbo. Ji taip pat turėjo atsilaikyti prieš PGR technologiją.
Norėdami išbandyti savo diagnostikos įrankį, mokslininkai paėmė 32 tamponų mėginius iš pacientų, kuriems buvo nustatytas SARS-CoV-2, ir 41 kraujo plazmos mėginį iš pacientų, kuriems buvo nustatytas ŽIV. Jie naudojo ir LIAMT, ir tradicinius PGR tyrimus, norėdami ieškoti virusinės RNR mėginiuose ir palygino rezultatus.
Tyrimo autoriai nustatė, kad LIAMT jautrumas ir specifiškumas yra daug žadantis abiem virusams. Ir lyginant su PGR metodu, LIAMT žymėjimai, ar mėginiai buvo teigiami, ar neigiami, buvo suderinti 29 iš 32 tamponų mėginių ir 40 iš 41 plazmos mėginio.
Šių rezultatų paskatintas Liu siekia toliau plėtoti LIAMT platformą, tobulinti jos veikimą ir patogumą. Jį ypač motyvuoja galimybė pagerinti ŽIV užsikrėtusių žmonių priežiūrą, nes norint gauti gydymą dažnai reikia atlikti įprastinius tyrimus, kurie apima apsilankymus ligoninėje, kraujo paėmimą ir dienų laukimą rezultatų.
„Su savo prietaisu panaudojome tūrį, kurį galite gauti iš piršto dūrio, kad greitai gautume tikslius ŽIV testo rezultatus. Pacientai galėjo atlikti šiuos tyrimus vietiniame slaugos centre arba namuose ir greičiau gauti reikiamus vaistus, “ – pasakė Liu.