Лаборатория на чипе: мгновенный анализ крови и разделение клеток

В Массачусетском технологическом институте создали усовершенствованную версию чипа для сортировки форменных элементов крови. Новая модель не просто лучше отделяет лейкоциты и точнее подсчитывает их число, но и сохраняет белые кровяные клетки неповреждёнными. Это открывает широкие перспективы как для клинических экспресс-анализов, так и для медицинских исследований с чистыми клеточными фракциями.

С общего анализа крови начинается практически любая диагностика. По его результатам можно сузить число предполагаемых заболеваний со сходной симптоматикой и распознать многие патологические состояния. В современных медицинских лабораториях крупных городов подсчёт числа форменных элементов крови и определение её показателей максимально автоматизированы.

Однако такое диагностическое оборудование довольно дорого, и его не в силах приобрести клиники развивающихся стран, где распространённость и длительность течения заболеваний выше. Это приводит к несвоевременному оказанию медицинской помощи, увеличению числа хронически больных и способствует формированию стойких эпидемических очагов.

Частично решить проблему может исследовательская программа «лаборатория на чипе», о которой «Компьютерра» уже писала ранее. Одной из задач данной инициативы является разработка надёжных и доступных методов автоматизированной экспресс-диагностики.

Специалисты MIT долгое время работали над чипом, который смог бы не только сортировать и подсчитывать форменные элементы крови без громоздкого и дорогостоящего оборудования, но и выделять из образца клетки одного вида.

Чип для сортировки форменных элементов крови (изображение: MIT / Suman Bose and Rohit Karnik).

Созданный чип выполняет всю работу буквально в один проход, довольствуясь микроскопическими количествами крови. Секрет его эффективности разработчики объясняют тем, что им удалось использовать технологии биомимикрии — подражания процессам в живых системах.

В норме определённое число лейкоцитов постоянно присутствует в крови человека. При возникновении воспаления они проникают в поражённую ткань, покидая кровеносное русло через поры сосудов. Направление перемещения задаётся присутствием сигнальных молекул — аттрактантов.

Чип использует схожий механизм фильтрации, имитируя в пористом материале микроканала эндотелиальные щели и маркерные вещества, активирующие хемотаксис. В частности, применяется белок P-селектин (CD62P), участвующий в слабой адгезии нейтрофильных лейкоцитов.

У прежней модели, созданной в 2012 году, P-селектин размещался на вытравленных в канале гребнях. Лейкоциты обратимо связывались с ними и увлекались в отдельные ответвления. Несмотря на высокую пропускную способность чипа, в нём происходили нежелательные эффекты перемешивания, что делало его непригодным для аналитической работы.

Спустя год два исследователя предложили новый дизайн чипа. Вместо травления микрогребней они взяли тончайшие золотые полоски. Их расположили по диагонали к потоку образца крови, разместив вдоль всей поверхности P-селектин.

На видео ниже показано, как за счёт слабой адгезии нейтрофильные лейкоциты двигаются вдоль золотых полосок, в то время как остальные форменные элементы крови перемещаются хаотично в общем потоке.

Проанализировав результаты серии экспериментов, авторы исследования разработали математическую модель для расчёта оптимального расположения адгезивных полос. Последняя версия чипа позволяет захватить из образца крови более 99 процентов лейкоцитов. Это отличный результат, особенно если учесть, что встречаются они в тысячу раз реже, чем эритроциты.

После прохождения через канал чипа все лейкоциты плавно перетекают через искусственные поры строго определённого размера, оставаясь целыми и функциональными.

Дальнейшая работа ведётся в направлении интеграции созданных микрочипов в портативные диагностические приборы. С их помощью в регионах развивающихся стран планируется регулярно выполнять экспресс-анализы крови. На первом этапе будут определяться простейшие признаки воспалительных заболеваний, такие как повышение числа лейкоцитов и нарушение их связывания с P-селектином.

Последняя ситуация характерна для сепсиса, при котором, помимо инфекционного агента, в кровь попадает большое количество интерлейкинов и медиаторов воспаления. Данные изменения состава крови были сымитированы в лабораторных условиях. Во всех изменённых образцах наблюдалось резкое снижение процента захваченных чипом лейкоцитов. Таким образом, число оставшихся после прохождения чипа свободных лейкоцитов служит надёжным диагностическим признаком и позволяет оценить степень тяжести заболевания.

Для лабораторной диагностики с использованием созданного чипа достаточно в несколько раз меньшего количества крови пациента, чем требуется сегодня в любом другом методе. Речь идёт буквально о сотых долях миллилитра. Поэтому одним из плюсов «лаборатории-на-чипе» исследователи называют возможность её внедрения в педиатрическую практику, где требуются более высокая частота контроля и максимально атравматичные процедуры.