RU EN CN ES

Свежие новости

События

"Чего хотят врачи в идеале? По капле биожидкости определить, что происходит с человеком"

"Чего хотят врачи в идеале? По капле биожидкости определить, что происходит с человеком"

Самарский университет

В Самарском университете создают высокоточный прибор для ранней диагностики рака

Платонов Владимир Братченко Иван Интервью Исследования Наука партнеру кафедра химии кафедра лазерных и биотехнических систем
21.02.2019 1970-01-01
Врачи редко высказывают категоричное мнение. Однако в том, что колоссальное значение в борьбе с онкологией имеет ранняя диагностика — солидарны все. Онкологи остро нуждаются в методах, обладающих высокой информативностью и точностью, и могли бы использоваться для экспресс-скрининга. 
Зачем для выполнения этой задачи химики объединились с физиками, и как найденные решения помогли в создании микроприбора для обнаружения рака, рассказали доцент кафедры химии Самарского университета Владимир Платонов и доцент кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета Иван Братченко. 
По капле
Расскажите, каким образом сплав физики и химии способен помочь в борьбе с болезнью XXI века — онкологией? 
В. П.: Развитие науки достигло такого уровня, когда становится очевидно: чтобы совершить прорыв нужно искать решения на стыке различных дисциплин. Мы пошли этим путем. И в результате тесного сотрудничества кафедры химии и кафедры лазерных и биотехнических систем создана технология, обеспечивающая быструю и точную неинвазивную диагностику онкозаболеваний. Это разработка из серии total analytical system, известная также как "lab-on-chip". Лаборатория на чипе — флагманский мировой тренд в биохимии, и наши совместные исследования идут в этом русле. Наш гибрид между микроэлектроникой и классическим спектрофотометром представляет из себя микрофлюидное устройство, которое в дальнейшем будет преобразовано в чип 20 на 20 мм. Это полноценное аналитическое оборудование в миниатюре, которое будет производить все операции с образцом, начиная от подготовки проб и заканчивая интерпретацией сигнала, а также математической обработкой тех данных, которые мы получим. Для понимания — раньше подобное оборудование занимало огромные лаборатории. 
Вы отметили, что это неинвазивная методика, а как функционирует ваша "лаборатория"? 
И.Б.: Да, никакого вмешательства в организм не требуется, в отличие от традиционной биопсии. Сейчас врачи вынуждены идти на риск, извлекая кусочек ткани для исследования. На поздних стадиях заболевания это может вызвать крайне нежелательные последствия, вплоть до метастаз, поэтому один из современных трендов — жидкостная биопсия. 
Чего хотят врачи в идеале? Взять на исследование капельку слюны, проанализировать ее и понять, что с человеком творится. То есть получить точную информацию без малейшего вреда для человека. Понятно, что по одной капле слюны, такой анализ провести очень сложно, а вот если говорить о крови — гораздо реальнее. Дело в том, что опухоли требуется большее питание, чем соседней ткани, поэтому зачастую она выбрасывает в кровь определенные вещества. Классическими оптическими методами "поймать" их невозможно. Здесь-то и пригодится соединение методов аналитической химии и спектроскопии. Это настолько мощный инструмент, что им можно обнаружить даже одну-единственную молекулу, и понять, что она из себя представляет. Соответственно, если в организме появилась хотя бы одна раковая клетка, которая начала свою жизнедеятельность, она неминуемо выделит определенный маркер в кровь, и это можно будет отследить. 
Никакой магии только химия
Это действительно возможно? Буквально, с первой пораженной клетки? Как именно вы ее отслеживаете?
В.П.: Да. Конечно, задача сложная, но осуществимая. Эффект достигается благодаря сочетанию лазерных технологий с аналитической химией. В отличие от чисто оптических методов, где анализ строится только на основе фотографии, мы проводим химический анализ с помощью различных спектральных методов и определяем наличие и концентрацию тех или иных веществ в крови, слюне и других биологических жидкостях.
В этом нам помогает микрофлюиидика — наука, изучающая закономерности поведения жидкостей, движущихся по узким каналам внутри герметичных миниатюрных устройств — чипов. На кафедре химии мы занимаемся созданием микроканалов на плоскости, которая химически модифицирована и функционально настроена на нужную аналитическую задачу. 
Кроме того, для большей информативности нашей технологии "lab-on-chip" мы вплотную занимаемся изучением и разработкой различных функциональных наночастиц, которые применяются в спектрофотометрии. На нашей кафедре существует целое научное направление, посвященное этой теме. 
В истинном свете
Каким образом наночастицы влияют на информативность анализа?
И.Б.: Давайте рассмотрим на примере. Если мы будем воздействовать светом на кровь, мы что-то, естественно, увидим, но при этом излучение будет очень несфокусированным и неявным. Однако, если мы адсорбируем на поверхность наночастиц металлов функциональные вещества, которые находятся в плазме крови, то при том же воздействии света излучение станет значительно интенсивнее и информативный сигнал будет четче. Проще говоря, если мы лазером будем светить на образец, лазерное излучение станет определенным образом взаимодействовать с молекулой, а присутствие наночастичек металлов усилит это взаимодействие причем многократно: в десятки, сотни тысяч раз. Так мы повышаем точность и минимально определяемую концентрацию токсичных веществ либо каких-то метаболитов, которые говорят о состоянии организма. Именно поэтому гигантское комбинационное рассеяние (так называется подход), дает результат там, где обычные методы бессильны.
Как вам удается использовать гигантское комбинационное рассеяние при исследовании микродозы образца?
И.Б.: Наша лаборатория миниатюрна и это накладывает на нас определенные ограничения: мы должны работать в очень маленьком объеме. Нам нужно сфокусировать излучение и для этого мы будем использовать линзу — как элемент чипа. В Самарском университете есть современные технологии химического травления и ЧПУ обработки, и лазерной литографии, позволяющие сделать все необходимые элементы, чтобы детектировать гигантское комбинационное рассеяние.
В вашей разработке методы аналитической химии, и оптические нацелены, в основном, на повышение точности анализа, зачем такое дублирование?
В.П.: Все дело в целях, которые необходимо достичь. Если мы говорим, к примеру, о другой разработке кафедры химии — газовом микрохроматографе, предназначенном для замеров в сфере экологии, то здесь для высокоточного анализа достаточны другие концентрации. Сравните, концентрация, которую определяет газовый микрохроматограф — это 1 молекула на миллион других, максимум 1 молекула на 10 миллионов, а концентрация для медицинских исследований составляет 1 молекула на триллион других, и это не предел. Поэтому и необходимы такие сложные ухищрения в виде системы линз, в виде различных химических модификаторов, а также высокоточных спектрометров с хорошим разрешением по длинам волн. Только поэтому мы и можем "отловить" нежелательные "элементы" в организме, когда они только-только начинают свою активность. 
Светлое будущее
Какие еще преимущества у вашей разработки помимо высокой точности?
В.П.: Прибор будет недорогим. Удешевление достигается благодаря миниатюрным размерам: когда процессы происходят в камере 1 мм на 1 мм, объемом меньше одного микролитра, безусловно, потребуется гораздо меньше дорогостоящих химических реагентов и обученных лаборантов, да и затраты на "железо", здесь будут не нужны. Кроме того, снижение габаритов делает прибор более доступным для человека. Врач скорой помощи, например, сможет принести его хоть в кармане, потому что размер будущего прибора будет примерно как у мобильного телефона, и за пару минут не только проведет сложное лабораторное исследование, но и мгновенно получит результат.
То есть, например, на обычном приеме у терапевта можно будет пройти экспресс- диагностику онкозаболеваний?
В.П.: Да, конечно. Наша разработка предназначена в первую очередь для специалистов, она неоценима в поликлиниках, в службе скорой помощи. Она идеально подходит для рутинных анализов, которых сейчас проводится огромное количество среди населения. Это тот самый метод скрининга — точный, быстрый и дешевый, который так необходим врачам-онкологам. 
На какой стадии сейчас ваши исследования, каковы их перспективы?
И.Б.: Мы уже создали лабораторную установку для исследования, и сейчас находимся на стадии эксперимента. Экспериментальные исследования, также как и, собственно, сама разработка прибора ведутся в тесном тандеме со специалистами из Самарского государственного медицинского университета, а также Самарского областного клинического онкологического диспансера. Следует учесть, что наша совместная разработка имеет более широкий спектр возможностей, и не ограничена лишь отслеживанием биомаркеров, которые отвечают за онкологию. Возможно и измерение уровня глюкозы, и определения наличия или отсутствия токсичных веществ в крови и т.д. На основе предложенной технологии мы сможем создать целую серию приборов, которые будут дешевле, лучше, точнее и гораздо компактнее всех ныне существующих.