Разработка point-of-care диагностической системы на основе ДНК-наносенсоров для выявления инфекций респираторного тракта и их лекарственной устойчивости

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-75-10073

НазваниеРазработка point-of-care диагностической системы на основе ДНК-наносенсоров для выявления инфекций респираторного тракта и их лекарственной устойчивости

Руководитель Кошель Елена Ивановна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-109 - Клиническая лабораторная диагностика и нанотехнологии в медицине

Ключевые слова ДНК-наносенсоры, диагностика, инфекционные заболевания, пневмония, изотермическая амплификация, тест-система, антибиотикорезистентность

Код ГРНТИ76.03.43; 76.29.50

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Быстрое выявление возбудителей и получение информации об их резистентности к антибиотическим препаратам является залогом своевременного назначения этиотропной терапии и высокой вероятности успешного лечения. Тем не менее, определение устойчивости к лекарственным препаратам до сих пор остается слабым местом молекулярно-генетической диагностики. На рынке в последние годы появляются отдельные продукты для решения этой проблемы, однако число препаратов, устойчивость к которым они могут выявить, ограничено. Более того, эти тест-системы обычно требуют дорогостоящее оснащение лабораторий и специальных навыков персонала. При этом большинство медицинских учреждений среднего звена не имеют собственной лабораторной службы, из-за чего вынуждены пользоваться услугами крупных диагностических центров. В результате биологический материал, взятый у пациента, не может быть сразу передан на исследование. Время, затрачиваемое на доставку проб и процедуры подготовки к отправке и приема образцов, приводят к позднему началу работы с ними. Это, в конечном итоге, сказывается не только на качестве исследования, но и на сроках получения результатов. Последнее обуславливает не только позднее начало этиотропной терапии, но и снижение ее качества из-за некорректных результатов анализа устойчивости возбудителей к антибиотическим препаратам или их отсутствия. Особенно негативно это может сказаться на лечении заболеваний, обусловленных инфекциями респираторного тракта. Инфекции респираторного тракта составляют более 50% от всех инфекционных заболеваний (Андреева 2009). Несмотря на проводимую вакцинацию, количество инфекционных заболеваний с локализацией процесса в дыхательных путях остается очень высоким. Усугубляет ситуацию значительное повышение устойчивости бактерий к антибиотикам, отмечаемое в последние годы не только в медицинских учреждениях, но и вне их (Davies and Davies 2010; Laxminarayan et al. 2013). Некорректная диагностика обуславливает назначение неадекватной терапии, результатом которой часто является развитие осложнений (пневмонии, синуситы, бронхиты), что обуславливает значительное увеличение затрат на лечение. В результате экономический ущерб от последствий острых респираторных заболеваний исчисляется десятками миллиардов рублей в год (http://rospotrebnadzor.ru/upload/iblock/c51/gd_2017_seb.pdf ). Описанные проблемы указывают на необходимость и актуальность разработки простого в обращении, быстрого и эффективного метода быстрой идентификации возбудителей острых воспалительных процессов респираторного тракта и выявления резистентности выявленных штаммов к антибиотикам. Предлагаемый проект направлен на разработку научной базы для экспрессионной диагностики инфекций молекулярными методами в условиях слабого развития научно-технологической и социально-экономической базы, а также задержки получения результата в условиях низкого потока. Технология проекта заключается в комбинации доступных методик анализа последовательностей нуклеиновых кислот, а именно изотермической амплификации и новейшей технологии ДНК-наносенсоров, позволяющих упростить конструкцию тест-системы с возможностью компактизации и транспортабельности, а также снизить расходы на проведение анализа и персональное обслуживание оборудования. В качестве демонстрации применения в рамках проекта будет представлена система детекции возбудителей пневмонии. В первую очередь, технология будет направлена на диагностику бактерий, но одновременное выявление вирусов в системе также возможно, что уже подтверждено предварительными исследованиями. Система будет включать все этапы работы с биологическим материалом, которые будут проходить в закрытом прикроватном устройстве: выделение ДНК, изотермическая амплификация и детекция ДНК-наносенсорами. Предлагаемая к разработке технология не будет требовать дорогостоящей аппаратуры и специальной квалификации персонала. Тест-система позволит выявлять наиболее актуальных возбудителей инфекций респираторного тракта (в их числе могут быть: Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumonia, Neisseria meningitidis, Corynebacterium diphtheria, Mycobacterium tuberculosis), а также их антибиотикорезистеность в течение не более 60 мин. При этом чувствительность системы составит 1-100 геномокопий бактерий с адаптацией устройства к возможности дискриминации нормального носительства и транзиторных микроорганизмов. Для этого будет разработана система, использующая вариант амплификации с праймерами стебельно-петлевой структуры (stem-loop primer amplification, S(L)PA). Научный задел и опыт коллектива в области химии, молекулярной биологии, микробиологии и инженерно-технических разработок, а также материально-техническая база Химико-биологического кластера Университета ИТМО и ФГБУ ДНКЦИБ ФМБА России, включая медицинский центр, обеспечат успешную реализацию всех этапов проекта, в том числе тестирование системы на клинических образцах. Научный коллектив Университета ИТМО совместно с ДНКЦИБ имеет успешный опыт в реализации аналогичного исследования по разработке экспрессионной системы для диагностики инфекций ЦНС по 16 патогенам (бактерии, вирусы, грибы). В результате разработан рабочий прототип устройства, проходящий в настоящее время клинические испытания в малой серии. Этот задел показал эффективность новой технологии и востребованность со стороны заказчика. В отличие от предыдущей разработки, в настоящем проекте запланированы разработки нового типа изотермической амплификации, новых типов сенсоров, системы дискриминации носительства и защита от контаминации. Для развития тематики собран коллектив из разных лабораторий МНЦ SCAMT (https://scamt.ifmo.ru/ru/nauka/gruppyi/nauchnyij-czentr-point-of-care-diagnostiki/), который совместно с партнерами из ДНКЦИБ обеспечит в случае поддержки фондом научную базу для разработки нового диагностикума для корректной терапии пневмонии, особенно актуальной в последние годы. Основными результатами проекта будут как уникальная научная база для разработки различных диагностикумов, так и готовый для проведения клинических испытаний прибор с молекулярно-биологическим наполнением и мобильным комплексом, подготовленный к запуску в производство малой серии. Одновременно в рамках проекта будут проводиться дополнительные исследования технологии ДНК-наносенсоров, которые в будущем станут ключевыми точками роста, апробированные публикацией в высокоимпактных научных журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рубель М.С., Шкоденко Л.А., Горбенко Д.А., Соляникова В.В., Мальцева Ю.И. Рубель А.А,, Кошель Е.И., Колпащиков Д.М. Detection of multiplex NASBA RNA products using colorimetric split G quadruplex probes. Springer (год публикации - 2023)

2. Мальцева Ю.И., Горбенко Д.А., Никитина Е.В., Рубель М.С., Колпащикоов Д.М. Visual Detection of Stem-Loop Primer Amplification (SPA) Products without Denaturation Using Peroxidase-like DNA Machines (PxDM) Internation journal of molecular science, 24(9), 7812 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24097812

3. Ачкасова М.А., Шкоденко Л.А. РАЗРАБОТКА ТЕСТ-СИСТЕМЫ СДОЗОЗАВИСИМЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНФЕКЦИЙ, ВЫЗВАННЫХ УСЛОВНО-ПАТОГЕННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ Молекулярная диагностика. Сборник трудов, Молекулярная диагностика. Сборник трудов,2023,РАЗРАБОТКА ТЕСТ-СИСТЕМЫ СДОЗОЗАВИСИМЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНФЕКЦИЙ, ВЫЗВАННЫХ УСЛОВНО-ПАТОГЕННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ, с 437-438 (год публикации - 2023)

4. Л.А. Шкоденко,В.О. Лаушкина,М.С. Рубель, Е. Сергеевна Finger-Actuated Microfluidic Platform for Colorimetric Isothermal Diagnostics of Neisseria meningitidis and Herpes Simplex Virus Russian Journal of Bioorganic Chemistry, V50, p544-553 (год публикации - 2024)
10.1134/S106816202411044X

5. Соляникова В.В., Горбенко Д.А., Зрячева В.В., Штро А.А., Рубель М.С. Multicomponent DNA Nanomachines for Amplification-Free Viral RNA Detection International Journal of Molecular Science, 26(8), 3652 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26083652

6. Шкоденко Л.А., Атие М., Мохамед А., Рубель М.С., Кошель Е.И. A Highly Sensitive and Selective DAMP Assay for the Detection of Bacterial Pathogens Associated With Brain Inflammation bio-protocol journal, 15, 6 (год публикации - 2025)
10.21769/BioProtoc.5240

7. Атие М., Гандалипов Э.Р., Рубель А.А., Рубель М.С. Differentiation of Bacillus cereus Species Based on Detected Unamplified Bacterial 16S rRNA by DNA Nanomachine bio-protocol journal, 15, 6 (год публикации - 2025)
10.21769/BioProtoc.5243

8. Шкоденко Л.А.,Мохамед А., Атие М., Рубель М.С., Кошель Е.И. A DAMP-Based Assay for Rapid and Affordable Diagnosis of Bacterial Meningitis Agents: Haemophilus influenzae, Neisseria meningitidis, and Streptococcus pneumoniae International journal of molecular science, 25 (15), 8282 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/ijms25158282

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
- Проведена интеграция разработанной панели детекциии с диагностический прибор, реализованный в настоящее время в виде прототипа. -Произведена калибровка системы в лабраторных условиях.Калибровка системы отработана на нуклеиновых кислотах, выделенных из музейный штаммов коллекции ФНКЦИБ. Во время данных запусков была осуществлена отработка механики процессов внутри прибора (перенос жидкости, поддержание необходимой температуры внутри прибора, улавливание флуоресцентного сигнала с высокой эффективностью), а также была произведена проверка эффективности химических реакций внутри прибора. - Произведена валидация разрабатываемой системы с использованием клинических образцов. В результате тестирования было выяснено, что аналитическая специфичность составляет не менее 70% почти для всех мишеней, кроме гена pbp N. meningitidis. - Произведено сравнение эффективности работы прибора с коммерческими наборами ПЦР в реальном времени. Основываясь на результатах сравнения можно сделать сделать вывод о том, что предел детекции разработанной системы меньше, чем у существующих в настоящее время коммерческих наборов, что говорит о необходимости дальнейшей оптимизации системы. Параметр специфичности так же уступает существующим коммерческим системам и должен быть улучшен при дальнейшей оптимизации диагностического прибора. Тем не менее, полученные характеристики диагностикума соответствуют заявленным в настоящем проекте. - Было произведено накопление базы данных последовательностей ДНК-наносенсоров, используемых в данном проекте. В дальнейшем накопленная база данных использовалась для разработки автоматического алгоритма подбора ДНК-наносенсоров - На основе накопленной базы данных разработано программное обеспечение на основе искусственного интеллекта для автоматического конструирования ДНК-наносенсоров. - Были опубликованы 4 научны статьи. - Результаты проекта были представлены на международной конференции Ломоносов 2025

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в усовершенствовании молекулярно-генетической диагностики инфекций бактериальной или вирусной природы. В конечном итоге, технология направлена на решение проблемы эффективности лечения заболеваний респираторного тракта за счет существенного ускорения выявления этиологии и назначения адекватной этиотропной терапии в любых медицинских учреждениях, в том числе не располагающих собственной лабораторной базой. В дальнейшем разработанный в настоящем проекте подход может быть использован для диагностики любых инфекций бактериальной и вирусной природы. Разработки настоящего проекта могут способствовать совершенствованию существующих технологий диагностики в сфере здравоохранения.