Ученые ИТМО разработали анализатор вирусных частиц, который позволяет в течение нескольких минут распознать патоген в организме человека. Предложенный метод безопасен, прост и удобен в использовании. Исследователи протестировали прототип устройства на самых распространенных вирусах — аденовирусах, коронавирусах и гриппе А и B. Статья о разработке опубликована в журнале Biosensors.
Нанесение образца на SERS-подложку. Фото: Дмитрий Григорьев, ITMO.NEWS
Чтобы обнаружить вирусы в организме человека, чаще всего используют ПЦР-диагностику (изучение фрагмента ДНК в слюне или во взятом мазке из носоглотки) или экспресс-тесты. Однако у этих методов есть недостатки. Так, на проведение ПЦР нужно минимум 4 часа, а экспресс-тесты могут дать ложноположительный или пограничный результат, когда нельзя точно определить, переболел ли уже человек, болеет ли сейчас или здоров. К тому же оба способа диагностики предназначены для обнаружения лишь одного вида вируса.
Ученые ИТМО совместно с НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева предложили универсальный метод на основе рамановской спектроскопии (SERS) и алгоритмов машинного обучения, который позволит быстро определять вирусы в биологической жидкости человека — слюне или мазке из носоглотки.
Исследователи проверили работоспособность технологии на штаммах коронавируса, аденовирусов и вирусов гриппа А и B. Предложенная технология проста, не требует больших затрат и безопасна для человека.
У любого вируса есть капсид — внутренняя оболочка, на поверхности которой есть белки. Они отвечают за проникновение в клетку, из-за чего и происходит заражение. На эти белки можно воздействовать светом (именно на этом основан метод рамановской спектроскопии), и по изменению длины волны излучения (спектру) можно определить, какое это вещество, — в том числе идентифицировать вирусы.
«Сперва мы поместили в спектрометр SERS-подложку (с серебряными наночастицами) с образцом вируса и воздействовали на нее красным лазерным излучением. Было достаточно одной минуты, чтобы найти изменения длины волны лазера — это маркер наличия вируса в материале. Затем алгоритм машинного обучения обработал данные полученных спектров и определил, есть ли в образцах вирусы, если да, то какие: коронавирус, грипп или аденовирус, — объясняет Владимир Виткин, руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории оптоэлектронного обеспечения киберфизических систем ИТМО. — На основе нашей технологии можно будет создать установку, которая поможет контролировать распространение новых вспышек вируса. Например, ее можно будет поставить при входе в помещение с большим скоплением людей (вокзалы, аэропорты, торговые центры), любой посетитель сможет сдать образец слюны или мазок из носоглотки и через три минуты получить результат».
Исследователям удалось добиться классификации с точностью 93% на высоких концентрациях вирусов, выращенных в НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева. На низких концентрациях, которые близки к клиническим образцам человека, точность доходила до 85%. По словам ученого, задача состояла в том, чтобы сначала обучить алгоритмы выявлять вирусы на больших концентрациях, а затем классифицировать клинические образцы. Ученые планируют развивать технологию, в их планах — увеличить базу данных о вирусах и модифицировать ПО для анализа спектров. Это позволит создать универсальную платформу для определения штамма любого вируса.
Проект исследователей также может быть полезен для разработки таргетного лечения.
«Сегодня существует очень мало эффективных противовирусных препаратов. Мы надеемся, в будущем наша разработка поможет легко отслеживать состояние здоровья и позволит врачам оперативно определять, чем именно болеет человек, чтобы назначать лекарства от конкретного вируса и изучать их эффективность», — отмечает ответственный исполнитель проекта, инженер лаборатории оптоэлектронного обеспечения киберфизических систем ИТМО Артем Табаров.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Университета ИТМО
