Сделано в IBM Labs: Новый кремниевый датчик помогает в диагностике заболеваний, фармацевтических и медико-биологических исследованиях

Метод окрашивания широко используется в патологических исследованиях для выявления маркеров различных заболеваний в образцах биологической ткани пациентов. Точнее говоря, маркер определенного заболевания связывается с антителом, которое затем химически окрашивается или меняет цвет при контакте с пораженной тканью. Интенсивность окраски позволяет классифицировать и определять степень заболевания.

Метод окрашивания тканей – это трудоемкий многоэтапный химико-биологический процесс, напоминающий проявку «пленочных» фотографий, когда из-за недостаточной или избыточной концентрации реактивов в химическом растворе либо при слишком коротком или слишком длительном экспонировании можно «недодержать» (недопроявить) или, наоборот, «передержать» (перепроявить) фотоснимок. При гистопатологических исследованиях метод может давать как ложноположительные, так и ложноотрицательные результаты, что, в свою очередь, может приводить к ошибочным диагнозам. В отчете клиники Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Hospital) отмечается, что из направленных с конца 2008 года на повторный лабораторный анализ 6171-го образца биопсийного материала, по 86 образцам первично установленный диагноз не был подтвержден.

Получение биопсийного материала является инвазивной процедурой для пациента, и небольшие образцы ткани берутся там, где это возможно. Медики стремятся получить как можно больше информации от этих, зачастую очень мелких, образцов, которые могут составлять всего несколько миллиметров в длину. Работа с такими размерами требует выполнения окрашивания ткани на многочисленных тончайших срезах образца для определения и классифицирования подтипа таких заболеваний, как рак. Специалисты часто не в состоянии провести достаточное количество необходимых тестов на этих крошечных образцах, а это имеет решающее значение для определения персонализированной стратегии лечения.

«Ключевым фактором забора клинических образцов является обеспечение высоких диагностических возможностей при сведении к минимуму дискомфорта пациента. Датчик-зонд, разработанный учеными IBM, решает задачу именно таким образом. Зонд позволяет окрашивать микроскопический участок ткани практически с любым биомаркером, который может быть клинически значимым. Это дает врачу возможность не только «сделать больше» с образцом меньшего размера, но также позволяет использовать несколько участков («пятен») окрашивания на одном и том же образце, что, в итоге, повышает точность диагноза. Таким образом, эта работа может стать преобразующей для диагностики различных заболеваний, от рака до болезней сердца», — подчеркнул профессор д-р Али Хадемхосейни (Ali Khademhosseini), адъюнкт-профессор Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) и Женской Больницы Бригхэма (Brigham and Women's Hospital) в Бостоне.

Ученые IBM из исследовательского центра в Цюрихе, которые решают эти важные задачи, опубликовали сегодня в авторитетном, рецензируемом экспертами научном журнале Lab on a Chip статью о «подтверждающей концепцию» инновационной технологии, получившей название "microfluidic probe" (микрожидкостный датчик-зонд), которая позволяет с высокой точностью окрашивать участки биологической ткани на микронном уровне.

Датчик-зонд с микрожидкостной кремниевой головкой, разработанный учеными IBM, имеет ромбовидную форму 8-миллиметровой ширины, с двумя микроканалами у одной из вершин. Подобно картриджу струйного принтера, головка («наконечник» с микроканалами) датчика-зонда впрыскивает жидкость на поверхность образца ткани, но, затем, в отличие от принтера, головка непрерывно «отсасывает» жидкость, чтобы предотвратить распространение и накопление ее на поверхности, что может привести к «передержке».

В частности, для анализа участка ткани датчик-зонд может доставлять антитела к определенным участкам ткани с высокой точностью. Поскольку анализ можно производить на отдельных точечных или линейных участках, а не на всей поверхности ткани, образец лучше сохраняется для проведения дополнительных тестов, если они потребуются. Кроме того, для выполнения анализа необходимо всего несколько пиколитров (одна триллионная часть литра) реактива, содержащего антитела.

«Мы разработали технологию, подтверждающую правильность концепции, что, я надеюсь, повышает актуальность патологии как современной исследовательской дисциплины – в том числе благодаря новейшим достижениям в области кремниевых микрожидкостных датчиков. Этот новый подход позволит специалистам окрашивать образцы биологической ткани с точностью микронного уровня и с легкостью использовать для серии анализов несколько отдельных участков ткани на ограниченной поверхности образца», — подчеркнул Говинд Кайгала (Govind Kaigala), ученый из исследовательского центра IBM Research – Zurich.

Данное исследование опирается на многолетний опыт работы IBM с кремниевыми материалами, которые сегодня применяются в новейших микро- и нанотехнологиях для решения сложнейших задач в самых разных областях, от производства и потребления энергии до здравоохранения.

Микрожидкостный датчик-зонд подходит для стандартных рабочих процессов в традиционной патологии. Кроме того, он совместим с существующими в настоящее время биохимическими системами окрашивания (образцов тканей) и устойчив к широкому спектру химикатов. Малый размер датчика также позволяет с легкостью осматривать образец сверху и снизу с помощью инвертированного микроскопа, широко используемого в научно-исследовательских и клинических лабораториях.

«Разработанная система может найти широкое прикладное применение в случаях, когда возможен забор образцов ткани только малого размера и требуется выполнение разных видов биологического анализа. Я уверен, что в один прекрасный день этот подход позволит нам брать малые образцы биопсийной ткани и получить по ним значительно больше информации, чем это возможно сегодня», — добавил профессор Хадемхосейни.

IBM ученые будут продолжать испытания, совершенствовать датчик-зонд и, вероятно, в ближайшие несколько месяцев начнут использовать его в лабораторных условиях. Кроме того, группа исследователей планирует изучить конкретные клинические применения, возможно, совместно с партнерами-специалистами в области патологии. Микрожидкостный датчик-зонд обещает стать помощником патологоанатомов и судмедэкспертов, и незаменимым инструментом для фармацевтических исследований и диагностики с использованием биологических образцов.

Научная статья под названием "Micro-immunohistochemistry using a microfluidic probe" («Микроиммуногистохимия с использованием микрожидкостного датчика-зонда»), подготовленная Робертом Д. Ловчеком (Robert D. Lovchik), Говиндом В. Кайгала (Govind V. Kaigala), Мариосом Георгиадисом (Marios Georgiadis)* и Эммануэлем Деламаршем (Emmanuel Delamarche), опубликована сегодня в журнале Lab on a Chip (DOI:10.1039/C2LC21016A). 

* В настоящее время является аспирантом (PhD student) Института биомеханики (Institute for Biomechanics) при Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе (ETH Zurich)