mChip v.3 — медицинская лаборатория на базе смартфона

В Колумбийском университете Нью-Йорка разработана диагностическая приставка для смартфона, которая быстро определяет в образце крови антитела к ВИЧ и маркеры сифилиса. Тестовая система mChip стоит $34, использует одноразовые картриджи себестоимостью меньше рубля и проходит апробацию в Руанде.

Для выполнения анализа медработник помещает в один из картриджей образец крови, который автоматически смешивается с реагентами и проходит сквозь множество каналов внутри картриджа. Они образуют длинную систему микротрубок разного диаметра, выступая одновременно в роли фильтра, дозатора и задавая требуемую временную задержку для полного протекания реакции.

Диагностическая приставка mChip — современная версия (фото: gadgets2use.de).

Авторами изобретения стали сотрудники исследовательской группы SIA. Это далеко не первая версия подобного устройства. За последние годы они сократили габариты установки и потребляемую мощность в разы, освоив форм-фактор приставки и доведя её до размеров самого смартфона. Питание подключается через гнездо для наушников 3,5?, а управление осуществляется через мобильное приложение.

Разработка даёт надежду на то, что экономичная и портативная диагностическая лаборатория может быть реализована на карманном устройстве и демонстрировать в полевых условиях результаты, близкие по уровню точности к показателям сложных и громоздких лабораторных установок прошлых лет.

Прототип «лаборатории на чипе» для диагностики ВИЧ и сифилиса, созданный в 2013 г. (фото: Columbia Engineering).

Уже сейчас для одновременного определения антител к ВИЧ и бледной трепонеме требуется чрезвычайно малый объём крови – буквально микрокапля. Сначала подобранные по форме и размеру наночастицы золота избирательно связываются с определёнными антителами в исследуемом образце крови. Затем мельчайшие частицы серебра образуют непрозрачный слой. Эта серебряная пленка блокирует распространение света просвечиваемого образца, и на её фоне датчик регистрирует прохождение определяемых антител, окружённых золотыми частицами.

От забора образца крови до получения результата теста проходит около пятнадцати минут. Полученные данные автоматически загружаются в память смартфона. Фактически прототип воспроизводит в миниатюре иммуноферментный анализ (ИФА) по методу ELISA, требующий дорогостоящего лабораторного оборудования. По словам доцента кафедры биомедицинской инженерии в Колумбийском университете Сэмюэля Сиа (Samuel Sia), точность портативной системы почти также высока, как у эталонной ELISA.

Сэмюэль Сиа (фото: columbia.edu).

Однако такие заявления стоит воспринимать с изрядной долей скептицизма. Любой разработчик хвалит своё детище, поэтому давайте разберёмся с деталями. Сам метод ELISA когда-то был «золотым стандартом» в экспресс-диагностике, но сейчас его вытеснили более точные. Они определяют уже не антитела к возбудителю заболевания (которых может и не быть по разным причинам), а непосредственно наличие ДНК патогенных микроорганизмов в крови.

Практикующие врачи знают, что с момента заражения до появления регистрируемого иммунного ответа иногда проходит значительное время. В случае с ВИЧ это около трёх недель, во время которых пациент будет напрасно считать себя здоровым, радуясь ложноотрицательному результату тестов ИФА. Если бы он сразу сдал кровь на определение ДНК возбудителя (методом ПЦР), то имел бы гораздо больше шансов своевременно начать комплекс профилактических мер. Реальная возможность избавиться от вируса иммунодефицита есть только на ранней стадии.

Система микротрубок и датчиков версии mChip 2011 года (фото: nature.com).

«Эта работа является доказательством того, что технологии могут улучшить диагностику, делая её быстрее, проще и дешевле без ущерба для качества, – говорит Сабин Нсанзимана, руководитель отдела по борьбе с ЗППП Министерства здравоохранения Руанды. – Тем не менее, внедрение может занять некоторое время, или потребовать дополнительных исследований».

Издание MIT Technology Review буквально превозносит новую портативную лабораторию, но посмотрим на цифры оригинальной статьи в Science. Картридж действительно стоит «just pennies» – это просто пластиковый контейнер с системой микротрубок (хотя у нас даже он стоил бы дорого –просто по традиции). Вот реагенты и коллоидные (нано)частицы золота/серебра определённой формы стоят уже порядочно, о чём в статье скромно умалчивается.

В исследовании добровольно (насколько этот термин вообще известен в Руанде) приняли участие 96 беременных женщин. Девяносто три из них посчитали новую методику более удобной. Только трое участниц выразили осторожные сомнения… и оказались правы. Специфичность экспериментальной методики составила 79%. Какие-то наночастицы всё ещё связываются не с теми белками, где-то датчик даёт ложные срабатывания или встречаются иные ошибки. Проще говоря, каждый пятый результат был ошибочным. Это уже лучше гадания, но ещё очень далеко от требований медицинских стандартов.

Принципиальная схема работы диагностической приставки mChip (изображение: Samuel K Sia et al.).

Для внедрения в клиническую практику в качестве эталона требуется достигнуть уровня точности 95% или выше. В отдельных случаях допускаются более низкие показатели, но принимаются они только временно (от безальтернативности) и до появления точных методик. Пятьдесят процентов точности при большом числе пациентов обеспечивает простое подбрасывание монетки. Каждый процент выше пятидесяти в скрининговой диагностике даётся ценой всё больших оптимизаций.

Многие перспективные методики так и не стали прорывом именно из-за непреодолимых сложностей на этапе доработки. Они не прошли испытания FDA и других регулирующих органов, как не прошла его пока и портативная тестовая система, созданная в Колумбийском университете. Поэтому – да, это очередная интересная идея из серии «лаборатория на чипе», но ещё неопределённо долго она не сможет стать заменой проверенным методикам.

Авторы планируют увеличить масштаб полевых испытаний и видят смартфоны основой портативной диагностики в развивающихся странах. «Пока мы определяем ВИЧ и сифилис, но очевидно, что эта технология более универсальна, – говорит Сэмюэль Сия. –Система здравоохранения может быть трансформирована коренным образом, если пациенты смогут получать точные измерения в децентрализованном порядке».