Туберкулез – инфекционное заболевание, являющееся причиной смерти миллионов людей ежегодно.
Это заболевание вызывает бактерия Mycobacterium tuberculosis, которая атакует в первую очередь легкие, и распространяется воздушно-капельным путем при кашле и чихании инфицированного больного.
Симптомами этого заболевания являются хроническое кровохаркание, высокая температура, испарина по ночам и потеря веса.
Для диагностики туберкулеза существует множество методов, но все они не лишены недостатков. В 1870 году его научились определять при исследовании мазка слюны, который помещается на предметном стекле микроскопа и окрашивается с помощью краски, связывающейся с бактерией, вызывающей заболевание. Затем лаборант определяет число бактерий и степень опасности заболевания.
Хотя этот способ быстрый и довольно дешевый, ему недостает чувствительности, которая еще снижается при одновременном инфицировании ВИЧ, что особенно опасно, поскольку туберкулез является основным убийцей людей, зараженных ВИЧ.
Лучшим способом диагностики туберкулеза является исследование образца в лаборатории для определения развития родственных колоний. Этот метод может даже дать оценку отклика микобактерий на антибиотики, используемые для лечения туберкулеза. Хотя этот метод более чувствительный, он занимает от одной до трех недель.
При этом во многих развивающихся странах нет возможности проводить этот метод. Таким образом, необходим новый метод диагностики туберкулеза, который был бы одновременно чувствительным, быстрым, недорогим и доступным для работы с необработанными биологическими субстанциями (такими как кровь, моча или слюна).
Решая эту задачу, Ralph Weissleder, Hakho Lee и Tae-Jong Yoon создали простой портативный чип, который может детектировать до 20 бактерий на миллиметр в необработанной слюне за 30 минут. При этом даже метод развития колоний определяет всего 10-100 бактерий на миллиметр, а занимает две недели.
Созданный учеными прототип имеет три ключевых компонента:
- магнитные наночастицы на основе железа, помеченные антителами, которые будут связываться с целевой бактерией (в нашем случае – туберкулезной),
- микрофлюидная система для доставки бактерии и буферного раствора,
- устройство для анализа наночастиц с микрокатушкой и мембранным фильтром для сбора, концентрирования и детектирования бактерий.
Новыми в этом устройстве являются магнитные наночастицы и мембранный фильтр. Специфичность системы зависит от антител, и ученым удалось добиться соотношения сигнал:шум=200:1. Такая чувствительность обеспечивается высоким магнитным моментом наночастиц.
«Исходно у нас были проблемы с быстрым окислением наночастиц, что заметно снижало их магнитный момент, — говорят ученые, — но если поместить ферритовую оболочку вокруг железного ядра, проблема решается». Многие патологии опасны при очень низкой концентрации бактерий (до 1-2 на миллиметр и даже меньше), но мембранное концентрирование образца может существенно улучшить предел обнаружения.
«Идея ввести мембранный фильтр появилась при приготовлении образцов туберкулеза для электронной микроскопии, когда образцы помешаются в шприц и концентрируются мембранным фильтрованием».
С помощью устройства можно изучать также образцы крови и тканей, а поскольку выходным сигналом является сигнал ЯМР, метод свободен от ошибок, вызванных человеческим фактором, и почти не требует обучения. Есть и другие наносенсоры туберкулеза, однако они требуют очистки образца.
«Нанопроволочные сенсоры восприимчивы к редким электрическим разрядам от фонового объекта, а кантилеверные сенсоры используют высокочистые образцы для того, чтобы избежать ложных сигналов от, например, клеточных остатков».
