Миниатюрный полупроводниковый биочип для выявления устойчивых к лекарствам патогенов

Распространение устойчивых к множеству препаратов патогенов — растущая глобальная проблема, которая опережает разработку новых лекарств и снижает эффективность существующих антибиотиков. Создание комплексных диагностических средств для клинического применения станет решающим для контроля над растущими рисками для здоровья. Существующие лабораторные тесты для диагностики инфекционных заболеваний обычно проводятся культуральными методами, которые занимают дни. Быстрые молекулярные диагностические тесты (NAATs) могут выявить нуклеиновые кислоты (NA) микробов в клинических образцах менее чем за час. Однако существующие NAATs ограничены недостаточным уровнем мультиплексирования (количество штаммов или последовательностей, обнаруживаемых в одной реакции) и неточностями в обнаружении мутаций.

Учёные и инженеры разработали полностью интегрированный миниатюрный полупроводниковый биочип с закрытой химией детекции для выполнения мультиплексированного NAAT. Система может быстро амплифицировать последовательности ДНК и РНК в одном образце, включая видовые сигнатуры, генотипы и мутации, обеспечивающие лекарственную устойчивость патогенов.

Принцип работы биочипа

• Используется одноразовый полупроводник на основе стандартных субмикронных КМОП-процессоров (CMOS).
• Архитектура включает жидкостную камеру с возможностью термоциклирования и ДНК-зонды с флуорофорами, расположенные над встроенным массивом биосенсоров.
• В камеру вводятся мультиплексные ПЦР-реагенты и нуклеиновые кислоты патогена.
• При аффинном связывании амплифицированного участка генома с ДНК-зондом на чипе активируются отдельные пиксели биосенсора для детекции и дифференциации дикого типа и мутантных штаммов.

Технические особенности

• Массив биосенсоров размером 32 x 32 пикселя, каждый со встроенным фотодиодом, нагревателем и детектором.
• Обнаружение множественных последовательностей в реальном времени методом инверсной флуоресцентной трансдукции (IFT).
• Вместо обычных ПЦР-красителей используются олигонуклеотидные IFT-зонды с двойной флуоресцентной меткой, закреплённые на каждом пикселе.
• Скорость считывания регулируется от 1 до 50 раз в секунду.

Демонстрация возможностей

1. Одновременная идентификация нескольких ДНК- и РНК-респираторных вирусов в одном клиническом образце.
2. Выявление 54 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в шести генах Mycobacterium tuberculosis для обнаружения мутаций, обусловливающих устойчивость к лекарствам, и разделения чувствительных и резистентных штаммов.

Преимущества и ограничения

• Преимущества: экономичное мультиплексирование, простота workflow, время анализа <2 часов.
• Ограничение: система гипотез-ориентирована и обнаруживает только известные мутации, но не новые микробы или мутации (для этого оптимально секвенирование нового поколения).

Способность быстро выявлять устойчивые к множеству препаратов патогены и мутации может помочь в борьбе с антибиотикорезистентностью, предоставляя медицинским работникам своевременные данные для более точного выбора терапии.

Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.