Ученые из МФТИ и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН разработали экспресс-тест нового поколения для диагностики инфаркта миокарда. Метод в 45 раз чувствительнее существующих аналогов и позволяет выявить маркер повреждения по одной капле крови всего за шесть минут. Результаты исследования опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
Острый инфаркт миокарда остается одной из главных причин смерти от сердечно-сосудистых заболеваний в мире. Врачи скорой помощи и приемных отделений работают в условиях жесткого цейтнота: чем раньше подтвержден диагноз, тем выше шансы пациента. Однако существующие лабораторные анализы занимают 30–60 минут, для их проведения необходимы специальное оборудование и обученный персонал. А экспресс-тесты недостаточно чувствительны, чтобы уловить ранние признаки повреждения сердечной мышцы, поэтому часто дают ложноотрицательные результаты.
Именно этот разрыв между скоростью и точностью удалось преодолеть российским ученым. В итоге была создана принципиально новая тест-система.
Для анализа с ее помощью достаточно одной капли крови. Ее наносят на тест-полоску (такую же, как в тесте на беременность) – жидкость сама впитывается и движется по ней. Одновременно включается вращающееся магнитное поле. Пока кровь течет, наноцепочки перемешивают ее, захватывают белок-маркер и оседают на тестовой линии. Весь процесс занимает 6 минут.
Результат анализа считывает портативный магнитный прибор. В отличие от оптических систем, которые «видят» только поверхность полоски, магнитное поле проникает сквозь всю ее толщу. Это дает точный результат, даже если образец крови мутный или темный.
Тест определяет концентрацию маркера в диапазоне от 0,02 до 50 нг/мл. Предел обнаружения — 21 пикограмм на миллилитр. Это в 45 раз чувствительнее обычных тестов на магнитных шариках и на порядки лучше большинства коммерческих экспресс-тестов. Причем тест не просто отвечает «да» или «нет», а выдает точное значение.
«Экспресс-тесты долгое время упирались в компромисс: либо скорость и простота, либо лабораторная точность. Здесь этот компромисс удалось обойти принципиально: не улучшая традиционные метки, а заменив их на активно работающие. Наноцепочки во вращающемся магнитном поле сами перемешивают образец в момент анализа и сами себя концентрируют на тестовой линии. При этом переделывать тест-полоску нам фактически не пришлось: мы работаем со стандартной нитроцеллюлозной мембраной, то есть вся новизна сосредоточена в самих метках и в способе считывания», — рассказывает ведущий автор исследования, старший научный сотрудник ИОФ РАН Алексей Орлов (выпускник МФТИ).
Ученые обратили внимание на особый белок, связывающий жирные кислоты (сБСЖК). Среди множества веществ, попадающих в кровь при повреждении сердца, он играет особо важную роль. В отличие от тропонинов (регуляторные белки сердечной мышцы, участвующие в ее сокращении; «золотой стандарт» кардиодиагностики, требующий нескольких измерений в течение 1-3 часов), сБСЖК появляется в крови в первый час после начала приступа. Он сигнализирует о беде первым, но чтобы его уловить, необходим очень чуткий инструмент.
Чтобы пометить этот белок, ученые использовали новый тип магнитных меток: не привычные сферические частицы, а вытянутые наноцепочки — нити из оксида железа длиной около 1 микрометра (в сотни раз тоньше волоса). На поверхность цепочек крепят антитела к белку сБСЖК. Так наночастицы становятся ловушками для сердечного маркера.
В неподвижной жидкости молекулы белка движутся хаотично и долго «ищут» антитела. Чтобы ускорить эту встречу, учёные поместили наноцепочки во вращающееся магнитное поле. Цепочки начинают крутиться и активно перемешивают кровь вокруг себя. В результате антитела «знакомятся» с белком в десятки раз быстрее.
Исследователи обнаружили неожиданный эффект: наноцепочки, уже закрепившиеся на тестовой линии полоски, в магнитном поле начинают притягивать из потока крови новые цепочки с белком. Возникает самоусиление: чем больше меток накопилось, тем активнее они притягивают соседей. Одновременно вращение разрушает случайные, ложные прилипания, снижая фоновые сигналы примерно вдвое. Такое сочетание (рост полезного сигнала и падение помех) даёт чувствительность, которой невозможно достичь каждым фактором по отдельности.
«Ключевая находка — это синергия вращения и иммунохроматографии. Интуитивно кажется, что направленное движение жидкости по мембране должно мешать вращению наноцепочек. На деле все наоборот: капиллярный поток непрерывно подносит свежий аналит, а вращение обеспечивает эффективное перемешивание у поверхности связывания. Вместе они работают лучше, чем порознь», — рассказал первый автор статьи, молодой учёный ИОФ РАН Юрий Малкеров.
Но мало просто уловить белок. Важно, чтобы тест не перепутал его с другими веществами в крови. Новый метод справляется и с этой проблемой.
«Мы проверили тест на панели значимых белков — кардиомаркерах (тропонин, NT-proBNP), онкомаркерах — и не увидели ни одного ложного срабатывания. Для потенциального клинического применения это критически важно, поскольку открывает возможность для создания надежного экспресс-теста, который поможет спасать человеческие жизни», — отметила соавтор статьи, аспирантка МФТИ Александра Ракитина.
По словам руководителя исследования, заведующего лабораторией ИОФ РАН Петра Никитина, новая система не требует модификации стандартных тест-полосок — они остаются дешевыми и легко тиражируемыми.
«Вся магия здесь сосредоточена в способе считывания и в свойствах самих наноцепочек. Портативная версия регистратора магнитных нанометок по нелинейному перемагничиванию, работающего от обычных батареек, уже была нами продемонстрирована ранее. А перспектива — это уже интеграция магнитного вращателя и регистратора в единое компактное устройство», — рассказал Петр Никитин.
До внедрения в клиническую практику предстоит путь, включающий проверку на больших группах пациентов, создание компактного прибора и получение необходимых разрешений. Тем не менее сама платформа универсальна: магнитные наноцепочки во вращающемся поле могут быть адаптированы для обнаружения других трудноуловимых биомаркеров — от онкомаркеров до пищевых токсинов. По мнению авторов, технология открывает путь к созданию тест-систем, которые по одной капле крови смогут одновременно определять несколько маркеров повреждения сердца.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 25-12-00373).
