Международный коллектив ученых из Швеции и США создал портативный флуоресцентный микроскоп, представляющий собой насадку на смартфон Nokia Lumia 1020. Исследователи показали, что при помощи новой системы можно проводить анализ образцов ДНК и выявлять в ней мутации, ассоциирующиеся с некоторыми типами рака, с точностью, практически не уступающей стационарному лабораторному оборудованию. Работа опубликована в Nature Communications.

Молекулярная диагностика рака, основанная на анализе ДНК и выявлении мутантных последовательностей, за последние 20 лет достигла больших высот и стала доступной и практически рутинной задачей. Однако для этих методик все еще требуется дорогостоящее обородувание, которое зачастую недоступно даже для крупных больниц, и тем более — для бедных стран или полевых госпиталей. Специально для этих целей разрабатываются портативные устройства и готовые комплекты диагностики. При этом авторы работ все чаще обращаются к смартфонам, так как эти устройства обладают достаточной вычислительной мощностью и неплохими оптическими сенсорами, которые можно приспособить для микроскопических задач.

Устройство, разработанное авторами, представляет собой опто-механическую насадку, заменяющую заводской объектив смартфона. Помимо набора линз в нем также установлены два монохромных и один белый диод, а также держатель образцов и привод для его перемещения по трем осям. Размер пикселя в смартфоне составляет примерно 1,1 микрона, а с учетом модифицированного объектива увеличение всей системы оказалось около 2,6X.

Флуоресценция ДНК, заснятая на камеру смартфона. Изображение: Malte Kühnemund et al./ Nature Communications

Обнаружение мутантной ДНК проводилось в несколько этапов. Авторы исследовали как очищенную ДНК, выделенную из раковых клеток толстой кишки, так и образцы тканей, полученные при помощи биопсии. Амплификация фрагментов KRAS-гена, хорошо известного маркера рака толстой кишки, осуществлялась за счет репликации по типу катящегося кольца (rolling circle replication): из ДНК вырезали KRAS-ген, потенциально содержащий мутации, и наносили его на подложку, к которой были пришиты короткие ДНК «зонды». В том случае, если ген действительно содержал интересующую ученых мутацию, он комплиментарно связывался с зондом, а также фрагментом, содержащим флуоресцентную метку, после чего закольцовывался. Кольцевая ДНК амплифицировалась, в результате чего к подложке оказывался пришит многократно умноженный набор копий мутантного KRAS-гена, содержащего достаточное количество флуоресцирующих групп, чтобы его можно было увидеть на экране смартфона, оборудованного новым микроскопом. Для того чтобы приложение могло отличать флуоресентный сигнал ДНК от постороннего шума, авторы использовали машинное обучение на заранее подготовленных и вручную размеченных образцах.

Схема устройства, а также описание подхода, лежащего в основе анализа мутантной ДНК. Изображение: Malte Kühnemund et al./ Nature Communications

Ученые показали, что их метод позволяет определять мутантную ДНК в концентрациях от одного фемтомоль на литр, при этом точность подсчета доли мутантных фрагментов в образце лишь на несколько процентов уступила аналогичному анализу на лабораторном оборудовании. Кроме того, авторы также исследовали образцы, из которых не проводилось предварительное выделение ДНК: раковые клетки и образцы тканей, полученные в ходе биопсии толстой кишки. В обоих случаях микроскоп на базе смартфона успешно справился с задачей.

По словам авторов, основной целью нового исследования было создание мобильного устройства, при помощи которого можно проводить быструю и точную молекулярную диагностику в тех местах, где нет доступа к клиническому оборудованию. Ученые уверены, что им это удалось, однако подчеркивают, что проблема не решена окончательно, так как многие шаги из проведенного ими анализа все же требуют определенной квалификации и наличия специфичных реагентов. А анализ и заключение в любом случае может провести лишь специалист.

Ранее уже проводились многочисленные попытки создания портативных аналогов сложного лабораторного оборудования на базе обычных смартфонов. В одной из работ также использовали метод амплификации ДНК (правда другой, петлевую изотермическую амплификацию) для выявления возбудителей герпеса. Другая группа ученых создала насадку-микроскоп для исследования дифракционной картины, возникающей при взаимодействии частиц-маркеров с раковой клеткой.

Автор: Тарас Молотилин