Чипировать COVID: уникальный биосенсор выявит инфекцию за десять минут

Российские ученые разрабатывают уникальную систему экспресс-диагностики COVID-19, которая обещает стать самой быстрой в стране. На весь анализ уйдет всего десять минут. Биотехнологи смоделировали пептидные молекулы, схожие по строению с «входными воротами» коронавируса в клетки человека. Если в пробе есть вирусы, они «прицепятся» к пептидам, а с помощью оптического устройства можно будет сразу увидеть их яркое свечение. Также созданные молекулы планируют использовать в противовирусной терапии — сделанные на их основе мази и спреи не позволят патогену проникать в организм, так как «захватят» шипы вируса и лишат их возможности присоединяться к клеткам эпителия человека.

Лаборатория на чипе

Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разрабатывают инновационную систему экспресс-диагностики и лечения COVID-19 с помощью пептидов, пространственно-комплементарных (подходящих, как замок и ключ) шипу коронавируса. Дело в том, что при заражении SARS-CoV-2 адсорбируется на поверхности клеток с помощью шипов через рецептор ACE-2, который присутствует в клетках легких и других органов и является «входными воротами» для коронавируса. Затем патоген проникает в клетку и запускает процессы формирования своих копий с помощью внедрения собственной РНК в генетический аппарат клетки. В результате клетка превращается в маленькую «фабрику» по сборке новых вирионов коронавируса.

Специалисты ЛЭТИ пришли к выводу: для инактивации патогена и для экспресс-анализа на его наличие необходимы молекулы олигопептидов (соединений, представляющих собой короткие цепочки из аминокислот очень маленького размера. — «Известия»), обладающие пространственной структурой, комплементарной шипам коронавируса так же как и ACE-2. Биочип с такими молекулами позволит «связать» SARS-CoV-2, и оперативно идентифицировать его, и при этом блокировать вирус, лишив его возможности присоединяться к рецептору клеток человека, сообщила «Известиям» ведущий научный сотрудник ЛЭТИ, кандидат физико-математических наук Татьяна Зимина. С помощью созданной в университете компьютерной программы Protein-3D ученые смоделировали две подходящие последовательности аминокислот.

— Одна из них содержит всего восемь аминокислотных остатков. Ее можно использовать в виде раствора в диагностическом биочипе, — пояснила Татьяна Зимина. — Вторая достигает 15 аминокислотных остатков, что обеспечит еще большую прочность связывания последовательности с шипом вируса. Таким образом, второй пептид будет практически полностью связывать все группы, участвующие во взаимодействии коронавируса SARS-CoV-2 с АСЕ-2.

Быстрее всех

Сейчас ученые тестируют обе последовательности и разрабатывают прототип платформы биочипа. В случае успешных испытаний новая тест-система станет самой быстрой в России — идентифицировать коронавирус она сможет всего за десять минут. Высокая скорость анализа достигается благодаря применению технологий микроэлектроники, которые позволяют минимизировать все ручные операции (подготовка препарата, смешивания реагентов), а сам процесс нахождения вируса с помощью чипа быстр и автоматизирован. Кроме того, такие системы мобильны и не требуют специальных помещений.

— Эксперименты с использованием подобных пептидных биочипов нам неизвестны, — отметила в разговоре с «Известиями» Татьяна Зимина. — Наша методика такова. Поскольку вирус находится в эпителии, для анализа необходима мокрота или мазок из горла или носа. На чипе из стекла или полимера размером с предметное стеклышко имеется входной резервуар с раствором, куда помещается проба для анализа. Чип вставляется в считывающее устройство, где раствор проходит мимо площадок с пептидами.

Если в пробе есть вирусы, они «прицепятся» к пептидам. А с помощью оптического устройства можно будет сразу увидеть их яркое свечение. Регистрация присоединившихся белков на таком биочипе проводится с использованием оптического метода, также разработанного в ЛЭТИ.

Ученые подчеркивают, что разработанные пептиды можно использовать и в противовирусной терапии. Если приблизить их к вирусу, они «захватят» его шипы и инактивируют патоген. В результате он не присоединится к клеткам эпителия. Такие молекулы можно включить в состав средств для наружного применения. Они могут быть использованы в виде аэрозоля, порошка или мази для носа как в лечебной, так и в профилактических целях.

Перспективная разработка

Пептидные взаимодействия — перспективная технология, сообщил «Известиям» директор Института медицинской паразитологии, тропических и трансмиссивных заболеваний им. Е.И. Марциновского Сеченовского университета (вуз-участник проекта «5-100») Александр Лукашев.

— Этот метод в будущем может лечь в основу портативных сенсоров, определяющих вирус в реальном времени в местах скопления людей. Использование аналогов рецептора человека обеспечит выявление даже мутантных форм вируса (что не гарантировано при использовании антител), поскольку именно взаимодействие с рецептором определяет патогенез заболевания. Конечно, разработка терапии COVID-19 с использованием этого метода — вопрос более отдаленной перспективы, поскольку предстоит еще значительный объем испытаний, — подчеркнул ученый.

Описанный метод в теории выглядит интересно, а о возможности использования пространственных особенностей вируса SARS-CoV-2 имеется ряд научных статей в журналах с мировым именем, сообщил «Известиям» заместитель заведующего лабораторией анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения МФТИ Станислав Отставнов.

— Правда, встает закономерный вопрос, почему принципы, известные и до пандемии COVID-19, не привели к перевороту в лечении других вирусных инфекций, к примеру вируса иммунодефицита человека, —отметил эксперт.

Ученым из ЛЭТИ предстоит пройти большой путь от проверки гипотезы до внедрения в клиническую практику эффективной технологии. Сами специалисты говорят, что на весь цикл испытаний вплоть до сертификации Роспотребнадзором уйдет от восьми до десяти месяцев. Работу над самой быстрой тест-системой и лекарством от коронавируса специалисты ЛЭТИ ведут совместно с НИИ гриппа Министерства здравоохранения РФ, НИИ особо чистых биопрепаратов, Санкт-Петербургским НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера.