800 секунд до замедления: в Перми создали математическую модель для ПЦР-тестов
Портативная система ПЦР упирается в физику раствора: накопленные копии ДНК начинают тормозить собственную циркуляцию. Пермские учёные построили модель, которая показывает этот скрытый предел заранее.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) давно перестала быть чем-то сугубо лабораторным. Сейчас она используется, когда нужно обнаружить возбудитель инфекции, установить отцовство или провести криминалистическую экспертизу. Но обычной ПЦР нужен термоциклер, то есть довольно крупный прибор, который попеременно нагревает и охлаждает пробирку. Из-за этого анализ специалисты обычно делают в оборудованной лаборатории, а не возле пациента и не на месте происшествия.
Конвекционная ПЦР устроена иначе. В небольшой камере жидкость сама приходит в движение и проходит через зоны с разной температурой из-за разницы нагрева. Но у этой удобной схемы есть свой недостаток. Когда в растворе становится больше молекул ДНК, меняются его свойства, и поток жидкости может замедляться. Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали математическую модель, которая описывает этот процесс. С её помощью можно заранее понять, где у такой камеры предел возможностей.
Найти скрытый предел
Тестирование модели проводилось в программе, которая позволяет воспроизвести движение жидкости и тепла в камере ПЦР. Ученые следили за реакцией на протяжении примерно 1000 секунд – это отрезок времени, достаточный для получения молекул ДНК в количестве, доступном для регистрации. Моделирование показало, что спустя примерно 800 секунд молекулы накапливаются настолько, что замедляют движение жидкости в камере.
Полученный исследователями результат значим не только как научная концепция. Основанная на нем новая технология позволит еще на стадии проектирования подбирать оптимальную форму камеры, температурный режим и свойства раствора, а значит, сократить число физических экспериментов.
Преимущество новой технологии еще и в том, что с её помощью молекулярную диагностику можно развивать не только в крупных медицинских центрах. Компактные системы способны работать в районных больницах, поликлиниках, мобильных пунктах и полевых лабораториях. То есть там, где нет полноценного лабораторного оснащения или где оно зависит от постоянного электричества.
Лаборатория в чемодане
За последние годы диагностика инфекционных заболеваний прошла стремительный путь, где каждый год приносил новые «рекорды» скорости, портативности и точности анализа.
Ещё в 2022 году ФМБА России зарегистрировало портативный прибор «Изаскрин-8», который менее чем за 30 минут определяет генетический материал возбудителей, включая SARS-CoV-2. В 2023 году Троицкий инженерный центр представил мобильный ДНК-анализатор РОСТ-5. В нём используется микрофлюидный картридж на шесть лунок, а за один запуск он проверяет до двенадцати патогенов. В 2026 году Пермский политех опубликовал первую версию модели конвекционной ПЦР с учётом термофореза. Тогда же случилось и ещё одно важное событие – ФМБА России запатентовало устройство и способ конвекционной ПЦР амплификации с одноразовым чип-картриджем и оптической регистрацией в реальном времени.
На будущее – с расчётом
Важно понимать, что разработка ПНИПУ – это математическая модель. Сама она не производит электронику, реагенты или оптику. Однако её можно встроить в инженерное программное обеспечение, которое помогает сократить зависимость от экспериментального подбора при создании собственных ПЦР анализаторов. К тому же с этой разработкой российская диагностика получит надёжный инструмент, который поможет создавать устройства компактные, экономичные и точные.
