Создана насадка на смартфон для молекулярной диагностики

<b>Рис. 1.</b> Схема работы системы молекулярной диагностики

Рис. 1. Схема работы системы молекулярной диагностики с использованием смартфона. А — схема проведения диагностики: сначала нужно подготовить образец исследуемой ткани (например, крови); затем, используя антитела, пометить цели специальными шариками; после чего снять дифракционную картину и отправить ее для анализа на сервер. В — устройство насадки. С — взаимодействие смартфона и сервера. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Наши смартфоны мощнее компьютеров, которые использовались при запуске миссий «Аполлон». Но, что еще замечательнее, их возможности шире. Уже созданы специальные насадки, которые позволяют использовать смартфоны для микроскопии и даже для диагностики глазных болезней. А теперь американские ученые разработали насадку и программу для смартфона, чтобы превратить его в своеобразную минилабораторию для сверхбыстрой молекулярной диагностики.

В биологии есть методы, которые позволяют получить очень важные данные (например, позволяющие поставить диагноз больному), но при этом простые по своей сути. Один из таких методов — это молекулярная диагностика с помощью антител, использующая их способность хорошо распознавать определенные виды молекул. Антитела снабжаются метками, благодаря которым их легко увидеть (например, к ним пришивают флуоресцирующие молекулы). Потом такие антитела добавляют к образцу, выжидают, пока произойдет связывание, и смывают лишние антитела. В итоге по флуоресценции связавшихся с образцом антител можно видеть, где находятся интересующие нас молекулы.

Модификация этого метода — это вылавливание целевых молекул из образца с использованием антител в качестве наживки. Для этого применяют относительно крупные шарики, облепленные антителами к тому, что нам интересно. Шарики нужно добавить в образец, подождать, пока на антитела налипнут их мишени, а потом извлечь шарики, а с ними — и целевые молекулы.

Похожий метод ученым удалось адаптировать для сверхбыстрой диагностики, которую теперь можно проводить с помощью обычного смартфона. Чтобы превратить смартфон в диагностическую лабораторию, устройство нужно будет снабдить специальной насадкой, в которой есть отделение для образца и источник света, а также приложением, которое отправляет данные для анализа на сервер, а потом демонстрирует результаты молекулярного исследования пользователю (рис. 1).

С помощью такого устройство можно будет проверять наличие определенных молекул на поверхности клеток образца (например, крови). К клеткам нужно будет добавить шарики с антителами к интересующим нас молекулам (такие шарики можно купить, как и любые другие лабораторные реактивы). Камера смартфона используется, чтобы запечатлевать дифракционную картину, которая образуется при рассеянии лучей на смеси шариков и исследуемых клеток. Картинка отправляется на сервер, который восстанавливает по дифракционной картине расположение клеток и шариков (рис. 2). Чем больше шариков налипло на определенную клетку — тем больше на ее поверхности целевых молекул.

Рис. 2. Пример работы системы диагностики

Рис. 2. Пример работы системы диагностики. Верхний ряд — шарики не прикрепились к клетке, нижний ряд — шарики налипли на клетку (размер шариков — 7 мкм). Одних только дифракционных картин (Diffraction) для корректного распознавания не достаточно, алгоритм также использует данные по прозрачности (Transmittance) и фазовому сдвигу (Phase) объектов — по этим параметрам шарики сильно контрастировали с изучаемыми клетками. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Сейчас мы знаем множество молекул-маркеров злокачественных клеток, и, если использовать шарики с антителами к таким молекулам, можно определить, есть ли в образце злокачественные клетки. Можно выявлять и любые другие клетки, со специфическими молекулами на поверхности (например, так можно находить разные типы клеток иммунной системы). Для анализа можно одновременно использовать сразу несколько типов шариков, несущих разные антитела, и находить в таком эксперименте клетки с определенным набором маркеров. В этом случае надо использовать шарики разных размеров, или сделанные из разных материалов, чтобы шарики с разными типами антител можно было отличить друг от друга.

Ученые убедились, что соотношения связывающихся с клетками шариков совпадают с соотношениями экспрессии генов целевых молекул — то есть с помощью смартфона можно будет проводить не только качественный, но и количественный молекулярный анализ. Чтобы проверить свою систему на практике, исследователи проанализировали с ее помощью образцы тканей 25 пациенток с раком шейки матки. Для контроля образцы исследовали и традиционными гистологическими методами. Образцы разделили на категории в зависимости от тяжести заболевания (высокий риск, низкий риск, доброкачественная опухоль), и для двух методов — классического и нового — характеристики образцов совпали. При этом анализ с использованием новой системы для смартфона не только не потребовал дорогого оборудования и сложных манипуляций, но и дал результаты очень быстро — на всю процедуру, включая приготовление образца и анализ данных, требуется 45 минут. Другое преимущество новой системы — это большой угол обзора. В одном зрительном поле камеры смартфона помещаются десятки тысяч клеток, и их можно проанализировать одновременно. При диагностике с помощью микроскопии можно одновременно изучать намного меньшие количества клеток.

Ученые также придумали, как их систему можно использовать для анализа ДНК. Чтобы проверить, есть ли в образце определенная ДНК (например, ДНК вируса), нужно использовать два типа шариков с приделанными одноцепочечными фрагментами ДНК, комплементарными целевой последовательности. Сначала целевая ДНК вылавливается из образца с помощью шариков одного типа. Затем к ним добавляются шарики другого типа. Если в образце были молекулы с концами, соответствующими последовательностям на двух разных шариках, то на выходе мы получим димеры шариков, соединенные молекулами пойманной ДНК. Такие димеры образуют характерную дифракционную картину, и если мы ее видим, значит в образце есть целевая ДНК (рис. 3). Этим методом удалось детектировать аттомоли (10–18 моля) целевой ДНК, и это без ПЦР-амплификации. Такая чувствительность сопоставима с чувствительностью самых точных методов исследования ДНК (теоретически с помощью ПЦР можно обнаружить единственную копию ДНК в пробе, на практике чувствительность метода на один-два порядка ниже — то есть 10–22–10–21 молей ДНК).

Рис. 3. Поиск целевой ДНК в образце

Рис. 3. Поиск целевой ДНК в образце. Используется два типа шариков с прикрепленными одноцепочечными фрагментами ДНК, за которые можно вытянуть из образца целевую молекулу. Димеры шариков, которые поймали целевую молекулу, дают характерную картину дифракции, по которой можно определить наличие целевых молекул ДНК в образце. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS

Авторы новой системы молекулярной диагностики считают, что, раз уж смартфоны так быстро распространяются, нужно придумывать им как можно больше полезных применений. Конечно, для использования их системы нужны специальные реактивы и определенные навыки лабораторной работы, так что вряд ли в ближайшем будущем любой желающий сможет заниматься молекулярными анализами. Тем не менее новая система диагностики — вероятно, одна из простейших, наиболее быстрых, дешевых и при этом работающих систем, которые можно себе вообразить. Так что она наверняка найдет свое применение.

Источник: H. Im et al. Digital diffraction analysis enables low-cost molecular diagnostics on a smartphone // PNAS. 2015. DOI:10.1073/pnas.1501815112.

Юлия Кондратенко


26
Показать комментарии (26)
Свернуть комментарии (26)

  • Kostja  | 17.04.2015 | 09:33 Ответить
    Помнится писали когда-то что у нас сделали систему анализов на основе обычного сд-рома в пк (на болванке нанесены разные реактивы, а программа проверяет читабельность разных зон). Интересно применялось ли это где-то.
    Ответить
  • Displacer  | 17.04.2015 | 09:47 Ответить
    Смартфон должен быть дополнительной возможностью, а никак не ключевой частью лаборатории. С вычислительными задачами, которые тут возложены на смартфон, справится обычный микроконтроллер за 5$. А если надо что-то куда-то передать по интернету, то к этому добавится еще wifi или gsm модуль еще за 10$. При этом не вижу ничего хорошего в том, чтобы посылать данные через смартфон на чей-то удалённый сервер, если их можно обрабатывать на месте. Особенно медицинские данные.
    Ответить
    • Burano > Displacer | 17.04.2015 | 10:18 Ответить
      Что вы так паритесь про анонимность? Нет ее уже давно! Кто-то умер из-за этого? Скорее безопаснее стало, любого придурка найти проще. А данные можно посылать на сервер по уникальному идентификатору, который для сервера просто номер анализа и обратно результаты также. Кто догадается по номеру чьи это анализы? Очень круто, что такие технологии приходят в нашу жизнь. Это в среднем повышает качество жизни каждого, все уже забыли в каком дерьме жили даже сотню лет назад, я уж молчу про средневековье с ее эпидемиями косившими почти всю Европу. А сейчас? Птичий грипп и т.п. сколько жертв? Так статистически их почти вообще нет, мизерный процент.
      Ответить
    • PavelS > Displacer | 17.04.2015 | 18:00 Ответить
      Контроллер за 5$ плох, т.к. софт контроллера надо как-то обновлять, а без обновлений это быстро устареет и будет очень негибким. И как-то конфигурировать, взять хотя бы конфиги параметров подключения к интернет (для вай-фай пароль же надо хотя бы вписать). А для этого нужен экранчик и клавиатура. И к этому надо софт. А софт уже очень дорогая штука, как программист уверенно заявляю - вам денег не хватит. Получим ещё 1 смартфон, только малосерийный и очень дорогой, как и бОльшая часть мед.оборудования. Также таким путём, делать что-то грубое но лишь бы своё - так идут военные, но там у них цели совсем свои.

      Как вариант, можно было бы сделать отдельный USB-микроскоп для PC, с этим было бы в разы проще.

      PS: даже если вы спаяете что-то плохенькое, лишь бы только своё на коленке - то всё равно, передавать-то на сервак это как-то придётся?
      Ответить
      • Displacer > PavelS | 17.04.2015 | 18:46 Ответить
        Ну хорошо, уговорили, тогда Raspberry Pi с полноценным linux-ом за $25. Обновляйся сколько хочешь. Экранчики дешевые сейчас зайдите как-нибудь на чипдип или на терру. Зато как бонус автономность и независимость от смартфонов. А если уж очень хочется к смартфону подключить, то wifi или bluetooth. И не надо связываться с apple, google и прочими магазинами, поддерживать надо только одну платформу и т.д. Плюс ко всему мобильные ОС всё еще активно меняют свои версии. Так что вы конечно можете уверенно заявлять, но по факту всё не так однозначно. Пользователю всегда важен конечный продукт. Смартфон вы выкинете свой через два года, а лаборатория может работать лет 10.
        Ответить
        • PavelS > Displacer | 18.04.2015 | 00:03 Ответить
          Ещё раз, кроме экранчика надо клавиатуру и т.п. И собрать всё вместе. Коробочку. И аккумулятор не забыть. Ну и разумеется не забыть прикрутить к этому веб-камеру. Это есть в продаже? А в переносном варианте? Ну опять же, получится мобила, только без поддержки мобильного интернет (вайфай не есть мобильный интернет) и размером с кирпич. "Те же яйца только в профиль". И чем готовая мобила так вас не устраивает, если вы на разный ляд предлагаете изготовить её заново только кустарным образом, лишь бы сделать её убогой, не универсальной, не эргономичной, жрущей большее питание, лишь бы назвать громким словом "лаборатория"? Повторю, это очень военный подход.

          А мобилкой может врач ещё и звонить. Удивительно, да? Или использовать мобилку как навигатор в автомобиле по дороге к пациенту. Или использовать как будильник. Тут же только кирпич-лаборатория в корпусе из серого пластика (как было всё в СССР).

          "Смартфон выкинете через 2 года" - а почему не 3 или 4? Смартфон может проработать и 20 лет, если будет устраивать хозяина. Я вот прежней мобилкой пользовался 7 лет, пока она явно не сломалась т.к. много пользовался. Так чем же вы настолько разозлены на смартфоны?
          Ответить
          • Displacer > PavelS | 18.04.2015 | 08:59 Ответить
            PavelS, судя по всему вы просто не знакомы с разработкой оборудования, если считаете, что всё это кустарщина. И чем вас так разозлил военный подход? Это медицина, всё должно работать надежно, стабильно и быть просто, как кирпич. По поводу есть ли в продаже говорю же, зайдите на чипдип или терраэлектроника и наслаждайтесь выбором (это если не говорить даже про китайских товарищей, где всё будет в два-три раза дешевле оптом). Кроме того, именно по энергопотреблению микроконтроллеры гораздо лучше, чем смартфоны, которые живут один-два дня.

            По передаче на сервер выше же написал, wi-fi и/или gsm модуль, а лучше через bluetooth на смартфон, если уж так хочется смартфон использовать. Но я считаю, что гораздо лучше данные обрабатывать на месте, если это возможно в принципе.

            Не хочу жить в мире, где устройство для медицинской диагностики может сказать, что дескать извините, у вас устаревший 5-ый айфон, купите новый, а android мы вообще не поддерживаем.
            Ответить
            • PavelS > Displacer | 18.04.2015 | 12:09 Ответить
              Я программист, работаю на фирме где специализируются на электроконтроллерах. Пишу софт уже 10 лет. Так вот есть правило - хочешь меньше проблем - бери готовое. Даже элементарная комбинаторика готовых решений уже место для проблем.

              Про кустарщину. Паять что-то на коленках многие умеют, не многие могут разработать компактный эргономичный корпус с округлыми углами так чтобы это всё влезало в карман рубашки и заряжалось от любого USB.

              Про "надёжно и просто" - в диагностике нет такого острого требования к отказоустойчивости оборудования как в хирургии. Если не вышло, то можно будет повторить. Не надо завышать требования.

              У смартфона часто есть и ви-фи, и блютус, и всё что угодно. А вы хотите что-то одно, так?

              И главное. Вы так и не ответили, чем вам не нравится смартфон. Хотите - напишите с нуля свою операционную систему под смартфон и используйте его как готовое железо, также напишите софт который будет считать не на сервере а на __СЕРИЙНОМ__ смартфоне. Зачем чип-и-дип? (я знаю где этот магазин, заходил, всё безумно дорого).

              Чем плох военный принцип. Плох тем, что у военных неподъёмные рации размером с рюкзак, а у гражданских - смартфоны. Вы же похоже изобретаете ещё один рюкзак уже для врача. Шли бы мы таким путём, у вас до сих пор была бы печатная машинка отдельно, счеты отдельно, почта-телеграф в соседнем дворе.
              Ответить
              • Displacer > PavelS | 18.04.2015 | 14:14 Ответить
                Чипдип в розницу действительно очень дорог, был приведен как пример магазина с большим ассортиментом.

                А в остальном мне нечего добавить к тому, что уже сказал.
                Ответить
                • PavelS > Displacer | 19.04.2015 | 03:22 Ответить
                  А я дважды задал вопрос, чем вас не устраивает стандартный недорогой смартфон в плане аппаратуры, вы так и не ответили.
                  Ответить
                  • Aab > PavelS | 19.04.2015 | 09:02 Ответить
                    Да, присоединяюсь: это интересный вопрос.
                    Ответить
                  • Coyro > PavelS | 21.04.2015 | 15:17 Ответить
                    Может вы одними словами описываете 2 разных конечных концепции?
                    Т.е. в добавок к "насадке" заказать у китайских ОЕМщиков крупную партию бюджетных смартов с нужными нам характеристиками и гарантированной совместимостью - это одно, а купить "насадку" и на жвачку лепить её к своему личному смарту всякий раз, когда решили "подиагностировать" - это немного другое.
                    Каюсь, мне тон статьи тоже скорее второй вариант навеял, чем первый. Ну вот хз почему. И в таком раскладе я тоже "против".
                    Ответить
              • EnigMan > PavelS | 27.04.2015 | 22:34 Ответить
                Есть у обычного смартфона в качестве лаборатории один неприятный недостаток. Камеры у них разные, характеристики "оптики" разные, строение корпуса и размещение камеры на корпусе разное. Это никак не упрощает применение лабораторной насадки. Как ее крепить, как настроить фокусное расстояние. Дифракционные картинки от камеры к камере скорее всего будут разными в зависимости от используемой "оптики" - а в конечном итоге страдает качество анализа. Пусть это будет работать на серийном устройстве, но на каком-то одном. И снова приходим к тому, что нам нужно специализированное устройство с заранее известными свойствами. Камера, микроконтроллер, пару кнопок на корпусе без экранчиков и клавиатур и синезуб для связи со смартфоном/компьютером для передачи данных на сервер лаборатории.
                Ответить
              • VladNSK > PavelS | 06.05.2015 | 13:13 Ответить
                Вы, Павел, работаете с микроконтроллерами, и, видимо, не совсем в теме.

                Для того, чтобы работал микрокомпьютер на плате, типа Raspberry Pi, о чем вам любезно сообщил Displacer, не нужны ни экран, ни клавиатура. Достаточно иметь с ним связь по обычному сетевому кабелю или Wi-Fi. И тогда можно и софт обновить, и данные эксперимента распечатать на принтере, и т.д. и т.п.

                В сущности, все web-камеры в подъездах именно так и работают.

                И кстати, у "серваков", как правило, тоже нет ни экрана, ни клавиатуры.
                Ответить
  • PavelS  | 17.04.2015 | 18:02 Ответить
    Всё здОрово, но не ясно кто будет целевой аудиторией этой игрушки. На дому как показано так не поиграться. Врач? В богатых странах у врачей полагаю оборудование получше. Врач-шаман в отсталых странах?
    Ответить
  • Aab  | 18.04.2015 | 17:59 Ответить
    == Конечно, для использования их системы нужны специальные реактивы и определенные навыки лабораторной работы, так что вряд ли в ближайшем будущем любой желающий сможет заниматься молекулярными анализами. ==

    Бизнесмены маму родную продадут, если только не запрещено законом.

    И, неужели, таки прям бином Ньютона? Наверняка сделают что-нибудь приемлемое для "чайников": из-за тех же денег. Линию в инете откроют в помощь счастливым обладателям новой игрушки.

    Игрушка-то очень полезная. Народ её сразу оценит.
    Ответить
    • Aab > Aab | 18.04.2015 | 18:16 Ответить
      Поди, в Раше не дадут такие девайсы продавать: как же, данные о советских гражданах утекут за рубежи зоопарка! А сами наладить выпуск ничего подобного не смогут: зачем? есть же лаборатории обычные, пойди, сдай анализы, заплати уеву тучу бабла, потеряй кучу времени - совок: это ж так круто. У нас же нельзя переслать за рубеж образцы для полного анализа своего генома, если только - тайно, корешу какому за рубеж, тот - в ту же 23andme, та - ему назад, а он тебе назад - ДиВиДи с 3 Гб текста и расшифровкой ещё на 2-3 Мб.

      Но, таки да, Большие братья потихоньку подрастают в разных странах, от этого не уйти.
      Ответить
      • Displacer > Aab | 18.04.2015 | 19:28 Ответить
        Если серьёзно, никуда не денетесь от лабораторий обычных, потому что эта деятельность везде сертифицируется и лицензируется, даже в тех же штатах, на которые вы молитесь, включая 23andme, у которой такой лицензии до сих пор нет (точнее есть, но не на все генетические заболевания, а на только один частный случай анализа). Ситуацию с 23andme в нашей стране лично я тоже не одобряю, но вполне себе понимаю мотивы, по которым такое ограничение введено. Кстати говоря, в России вполне себе существует Генотек и несколько других организаций, где подобные анализы проводят, включая полное секвенирование генома.
        Ответить
        • Aab > Displacer | 19.04.2015 | 09:00 Ответить
          Будет ли такой прибор сертифицирован и лицензирован в РФ? :)

          == включая 23andme, у которой такой лицензии до сих пор нет (точнее есть, но не на все генетические заболевания, а на только один частный случай анализа). ==

          Ах, грустная история. Почитал я про, и сложилось у меня впечатление, что FDA порой занята чем-то глубоко российским, а именно - вставлением палок в колёса передовым технологиям (и не первый раз я про неё так думаю). (И про DEA могу пару тёплых слов сказать, но то было бы оффтопом,- не буду.)

          За ссылку на Генотек спасибо. Я бы рекомендовал американским товарищам обращаться в зарубежные конторы, и сам бы поступал так же: из-за подрастающих Больших братков. Если некто "решил принять фундаментальный ислам" (и далее по тексту), то спецслужбы, скорее всего, договорятся об обмене данными по нему. И дай Б-г им здоровья. А просто так: пусть уж лучше про мою ДНК знает дядя Сэм, а про моего американского друга - дядя Вова.
          Ответить
          • Aab > Aab | 22.04.2015 | 08:52 Ответить
            Вот, честно, хотел промолчать про DEA, но сама жизнь не даёт:

            "Глава антинаркотического агентства США увольняется из-за секс-вечеринок":

            http://www.newsru.com/world/22apr2015/deaout.html

            "Глава американского агентства по борьбе с наркотиками (US Drug Enforcement Administration, DEA) Мишель Леонхарт увольняется из-за секс-скандала с подчиненными: выяснилось, что сотрудники DEA принимали участие в секс-вечеринках, причем некоторые из них были организованы на деньги колумбийских наркобаронов прямо в офисах организации."

            Кокс в Колумбии знатный, говорят, кстати.

            Ну да. Жаль, что российских его высокопоставленных коллег такая участь ждать практически не может.
            Ответить
  • Skeptic  | 19.04.2015 | 22:19 Ответить
    Спор ушел куда-то в сторону. Здесь вовсе не инженерные вопросы главные. Многие новые методы диагностики имеют фундаментальные проблемы на разных уровнях. Например, в основу того или иного метода может быть положен принцип или модель, которые через годы может оказаться неверной, неполной, или некорректно реализованной. Выдаваемые результаты могут иметь существенные погрешности, а в медицинских анализах не принято вообще выдавать результат с погрешностью. (Кстати, из-за этого многие врачи вообще не углубляются в теорию измерений, и не понимают, что результат не следует воспринимать буквально. Однажды я в один и тот же день утром с интервалом в 50 минут сдал кровь на общий анализ в двух разных московских лабораториях. Сказать, что результаты не совпали - это ничего не сказать. Скорее нужно было признать, что это был фальсификат: либо фальшивые реагенты, либо фальшивые цифры вписывались в бланк результатов вообще без измерений. Или это были одни и те же результаты, но настолько велики погрешности? Как врачу трактовать такое?). Оценка погрешностей медицинских измерений - важная часть разработки любого диагностического метода, реагента или оборудования. А здесь, как и в фармацевтике, присутствует очень сильный сторонний интерес. Честность не всегда приветствуется.
    Так что научная и профессиональная честность и этичность разработчиков, производителей, врачей - основное. А поднятые вами проблемы микроконтроллеров вообще ни на что не влияют на этом фоне.
    Ответить
    • Aab > Skeptic | 22.04.2015 | 09:00 Ответить
      И деньги заплаченные за такие "анализы" потом у "аналитиков" фиг отберёшь. Приходится идти в третью контору, снова платить. Нервы, время - всё тоже в минус.
      Ответить
      • EnigMan > Aab | 27.04.2015 | 22:41 Ответить
        Ну ладно деньги, а нервы то зачем тратить. Ладно в "бесплатной" поликлинике приходится записываться в очередь в 6 утра, чтобы к 10-11 таки сдать кровь на анализ. Тут действительно нужно иметь железобетонные нервы. В частных лабораториях я такого ажиотажа не встречал.
        Ответить
        • VladNSK > EnigMan | 06.05.2015 | 13:07 Ответить
          Я недавно сдавал кровь на анализ в своей родной поликлинике. Это в Новосибирске. Там принимают с восьми до девяти. Пришел в начале девятого. Передо мной было три или четыре человека в очереди. Принимали анализы две лаборантки. Подождал минут пять-семь. Когда уходил, в очереди было по-прежнему человек три или четыре.
          Ответить
          • EnigMan > VladNSK | 07.05.2015 | 10:17 Ответить
            Могу только порадоваться за Вас. У нас на район со стотысячным населением одна поликлиника и ситуация с очередями в ней такая, как я описал выше. Более того, разные анализы берутся в разных местах и в разное время. Простые анализы, типа общего анализа крови, МОР, глюкоза берут в лаборатории с 7 до 8 утра - забор крови "из пальца", кровь на более сложные анализы берется из вены в процедурном кабинете с 9 до 10. Обычно, нужно сдать кровь и туда и туда отстояв обе очереди. Как альтернатива - частные лаборатории. Там и время забора крови больше и ожидание в очереди очереди 10-15 минут. Только ценник кусается.
            Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»