Исследователи Техниона разработали новый быстрый и точный тест на COVID-19

Новый метод позволяет избежать ошибок амплификации ПЦР, влияющих на результаты применяемых сегодня тестов на коронавирус.​

Ученые Техниона разработали новый метод быстрого и точного определения коронавируса без необходимости полагаться на ПЦР-амплификацию. Новый метод позволяет идентифицировать присутствие SARS-CoV-2 в образце путем подсчета и количественного определения молекул РНК вируса с точностью до одной молекулы. Новый метод позволяет избежать ошибок амплификации ПЦР, обеспечивая более точную клиническую диагностику коронавируса.

Исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, проходило под руководством профессора Амита Меллера с участием исследователей программы пост-доктората д-ров Яны Розевски, Таль Гильбоа, Ксандера ван Кутен и штатного научного сотрудника д-ра Дианы Хаттнер с факультета биомедицинской инженерии Техниона, а также профессора Ульрике Штайн и доктора Деннис Кобельт из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка и больницы Шарите в Берлине.

Тестирование RT-qPCR - наиболее широко используемый сегодня метод анализа на COVID-19, включает в себя ряд подготовительных этапов, включая сбор образца у пациента с помощью мазка, «вскрытие» вируса и извлечение из него РНК. На следующем этапе, называемом обратной транскрипцией (ОТ), специфические «целевые» последовательности РНК копируются в форму ДНК. Наконец, эта ДНК амплифицируется (копируется) с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для того, чтобы получить достаточное для обнаружения количество ДНК, делаются миллионы таких копий.

Для тестирования RT-qPCR требуется большое количество специальных реагентов, дорогостоящее лабораторное оборудование и высококвалифицированные специалисты. Более того, недавние исследования показали, что результаты тестов могут меняться от одного дня к другому и что процесс массивной амплификации может привести к значительным ошибкам. По этим причинам во всем мире предпринимаются усилия по разработке более быстрых, доступных и более точных тестов на коронавирус. Эта задача особенно сложна в случаях, когда «вирусная нагрузка» (количество вирусной РНК) в образце низка и может "обмануть" приборы.

Новый метод, представленный группой проф. Меллера, основан на оригинальных технологиях, разработанных его лабораторией за последние два десятилетия, с использованием наноразмерных отверстий (так называемых «нанопор») для обнаружения отдельных биологических молекул. Эффективность этой технологии уже была продемонстрирована в ряде других биомедицинских направлений. В отличие от традиционной молекулярной диагностики, которая требует больших объемов образцов, содержащих миллионы копий одной и той же молекулы, зондирование нанопор анализирует отдельные биологические молекулы из гораздо меньших образцов. 

Сильное электрическое поле используется для развертки и проведения отдельных молекул ДНК (как нитку в иголку) через наноскопическое отверстие, содержащее электрические или оптические датчики. Каждая молекула, которая проходит через отверстие, дает характерную «подпись», которая позволяет идентифицировать и немедленно подсчитывать молекулы разных типов. Такой подход открывает возможность миниатюризации диагностических систем при одновременном повышении точности и надежности тестов - особенно там, где амплификация ПЦР неэффективна или даже вредит надежности теста.

​В статье представлены два применения этого метода: идентификация молекул РНК, сигнализирующих о возникновении метастатического рака, и обнаружение РНК коронавируса. Чтобы обеспечить однозначный результат, исследователи разработали процесс, который оставляет нетронутыми только соответствующие «целевые» молекулы, а все остальные разрушает.

В первом приложении исследователи продемонстрировали потенциал этого метода для раннего выявления метастатического рака путем количественной оценки уровней MACC1 - одного из основных генов, которые сигнализируют о формировании метастазов.. Благодаря своей высокой степени чувствительности новый метод успешно оценил масштабы присутствия гена в раковых клетках на ранних стадиях заболевания (известных как стадии I и II) - задача, которую не удалось решить технологиям на основе ПЦР. Разумеется, чем раньше будут обнаружены эти генетические биомаркеры, тем выше шансы на успешное лечение больного.

Во втором приложении исследователи обнаружили молекулы РНК вируса SARS-CoV-2, используя тот же подход. Представленная в статье методика - не первая, предложенная для анализа одиночных молекул, однако, в отличие от предыдущих, она позволяет избежать тех процессов лабораторной обработки взятых проб, которые вносят «шум» и ошибки в систему. Два таких процесса - очистка образцов, при которой многие молекулы-мишени непреднамеренно теряются, и амплификация ДНК, которая может привести к ошибкам генетического кода и как следствие - неверным диагнозам. 

По словам проф. Меллера, «наша система позволяет количественно измерить уровни генетической экспрессии РНК с помощью относительно простого устройства с наносенсором, без необходимости очистки образца и без необходимости в процессах массивной амплификации. Мы показали, что наша технология сохраняет уровень генетической экспрессии исходных молекул РНК на протяжении всего процесса. Таким образом, мы получаем более точный метод анализа, который важен в обоих исследованных нами случаях - РНК-биомаркеры метастатического рака и вирус SARS-CoV-2.»

Публикация в ACS Nano - важная веха для исследовательской группы Меллера, но не конец пути. Ожидается, что после дальнейшей работы система обнаружения нанопор станет портативной, а значит - будет открыта для широкого применения в здравоохранении. Технологические и клинические исследования продолжаются на факультете биомедицинской инженерии Техниона в сотрудничестве с BioBank в медицинском центре "Рамбам" в Хайфе. Одновременно ведется работа по коммерческой конверсии новой технологии, чтобы как можно скорее сделать ее доступной для общего использования.

Исследование поддерживается Европейским Союзом (через грант ERC в рамках исследовательской программы Европейской комиссии Horizon 2020), Израильским научным фондом (ISF) и программой поддержки докторантов SignGene.

Источник: MFA
Фото: пресс-служба Техниона