Диагностика вируса Зика на бумажных дисках

Международная команда исследователей под руководством синтетического биолога Джеймса Коллинза из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университета разработала недорогую, быструю бумажную диагностическую систему для штамм-специфичного обнаружения вируса Зика. Цель — использование в полевых условиях для анализа образцов крови, мочи или слюны.

"Растущий глобальный кризис в области здравоохранения, вызванный вирусом Зика, заставил нас использовать новые технологии, разработанные в лаборатории, чтобы создать рабочий процесс, способный диагностировать пациента в полевых условиях за 2-3 часа", — сказал Коллинз.

В исследовании, опубликованном 6 мая 2016 года в журнале Cell, приняли участие специалисты из Массачусетского технологического института (MIT), Института Броуда, Гарвардской медицинской школы (HMS), Университета Торонто, Университета штата Аризона (ASU) и других институтов. Работа была выполнена в течение шести недель.

Развитие инновации

В октябре 2014 года команда Коллинза разработала метод встраивания синтетических генетических сетей в портативные бумажные диски для создания программируемых диагностических сенсоров. В качестве доказательства концепции была создана диагностическая система, меняющая цвет для выявления РНК-вирусов, таких как Эбола, Зика, SARS, корь и другие.

Однако до недавнего времени технология сталкивалась с проблемой крайне низкой концентрации вируса в биологических образцах. Теперь, используя образцы крови обезьян, инфицированных вирусом Зика, команда подтвердила работоспособность усовершенствованной методики.

Трехэтапная модульная система

Система, разработанная для полевого использования, включает три этапа:

1. Амплификация РНК образца с помощью смеси ферментов и "праймеров".
2. Обнаружение Зика: капля амплифицированной РНК наносится на лиофилизированные бумажные диски, содержащие клеточные компоненты и белки. При положительном результате на вирус Зика диски меняют цвет. Результат можно оценить визуально или с помощью специального электронного считывателя.
3. Идентификация штамма с помощью CRISPR-Cas9: если вирус обнаружен, образец смешивается с лиофилизированной смесью CRISPR-Cas9 и наносится на другой набор бумажных дисков. В зависимости от генетического штамма Зика в образце диски претерпевают новый набор видимых изменений цвета. Это позволяет различать штаммы, чьи генетические профили отличаются всего на один нуклеотид.

Команда обнаружила, что CRISPR-Cas9, обычно используемый внутри живых клеток, отлично функционирует и в лиофилизированном виде на бумажной платформе.

"Мы протестировали нашу диагностическую систему на близкородственных штаммах вируса Денге и обнаружили, что в рамках первых двух шагов наша система может легко отличить Зика от Денге", — сказал Александр Грин, соавтор исследования. "Добавление третьего этапа на основе CRISPR только повышает точность обнаружения".

Значение для борьбы с пандемиями

Все компоненты диагностической системы можно лиофилизировать для хранения и транспортировки без потери эффективности. Возможность точно определить штамм в полевых условиях может быть ценна для отслеживания распространения вспышки в реальном времени и подготовки стратегий сдерживания.

Система может быть адаптирована для выявления целого ряда патогенов. Бумажная основа делает её чрезвычайно экономичной, а методика — достаточно гибкой для быстрого реагирования на новые вспышки.

"В ответ на новую вспышку мы предполагаем, что индивидуально настроенная диагностическая система может быть готова к использованию в течение одной недели", — сказал Коллинз.

"Способность воспроизводить генетический аппарат живых клеток на обычной лиофилизированной бумаге открывает путь к созданию революционных сенсоров и диагностических систем за долю времени и с более высокой чувствительностью, чем традиционные методы. Эти недорогие бумажные тесты также легко транспортировать и распространять по всему миру. Потенциал для применения в здравоохранении и экологическом мониторинге, особенно в регионах с ограниченными ресурсами, огромен", — отметил Дональд Ингбер, директор-основатель Института Висса.