Позолотили ручку: особые чернила за минуты выявят устойчивую к антибиотикам инфекцию

Российские ученые разработали плазмонные чернила с наночастицами золота, с помощью которых можно за считаные минуты выявить биомаркер синегнойной палочки — опасного возбудителя внутрибольничных инфекций. При традиционном методе диагностика может занимать несколько дней. За это время бактерии способны нанести серьезный вред организму пациента. Новая технология не требует сложной пробоподготовки: образец достаточно обработать чернилами и исследовать с помощью портативного спектрометра. По словам экспертов, быстрое выявление синегнойной палочки особенно важно из-за ее устойчивости ко многим антибиотикам.

Чернила из золота

Ученые МФТИ и МГУ разработали чернила на основе наночастиц золота для моментальной диагностики возбудителя тяжелых внутрибольничных инфекций — синегнойной палочки. Они позволяют выявлять опасные бактерии даже на ранних стадиях болезни за считанные минуты и не требуют сложного оборудования.

— Теперь не нужно ждать несколько дней, пока вырастут бактерии в чашке Петри, отправлять образцы в лабораторию и проводить сложную пробоподготовку. Достаточно взять мазок ватным тампоном, нанести на него плазмонные чернила и поднести портативный спектрометр — результат будет готов через минуты, — рассказала младший научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Евгения Афонюшкина.

Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) входит в число опасных возбудителей внутрибольничных инфекций. Она может вызывать тяжелые пневмонии, сепсис и поражения внутренних органов, в том числе с летальным исходом. Одно из главных препятствий в борьбе с бактерией — ее высокая устойчивость ко многим антибиотикам. С каждым годом всё меньше препаратов сохраняют эффективность против этого патогена.

Стандартная диагностика требует посева на питательные среды и инкубации в течение двух–трех дней. Однако пациент с острой инфекцией нуждается в лечении немедленно, поэтому врачи вынуждены назначать антибиотики «вслепую», до получения результатов. Это неизбежно ведет к неоправданному применению тяжелых препаратов, росту лекарственной устойчивости и ухудшает прогноз для пациента.

Новая разработка ученых МФТИ и МГУ позволяет сократить время диагностики с нескольких дней до нескольких минут. В ее основе — детекция пиоцианина, характерного пигмента, выделяемого синегнойной палочкой.

Однако при небольшом количестве бактерий сигнал пиоцианина оказывается слишком слабым для надежной регистрации. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали чернила на основе золотых нанозвезд — частиц с острыми шипами. Такая форма обеспечивает высокую концентрацию электромагнитного поля, которое усиливает сигнал молекул, находящихся вблизи нанозвезд, в миллионы раз.

Борьба с внутрибольничными инфекциями

Чернила поместили в обычный стержень для ручки. Для проведения диагностики достаточно либо нанести чернила непосредственно на образец (например, на мазок слюны пациента), либо предварительно создать сенсорную поверхность на бумаге, а уже на нее нанести пробу, после чего измерить сигнал портативным спектрометром.

Весь процесс занимает несколько минут и не требует ни центрифугирования, ни специальных реагентов, ни стерильных боксов. Ученые протестировали плазмонные чернила в лабораторных и полевых условиях.

— Мы сравнили диагностические возможности лабораторного и портативного спектрометров. Первый показывает предельную чувствительность в идеальных условиях — это важно для дальнейших фундаментальных биомедицинских исследований, основанных на предложенном методе детектирования пиоцианина. Второй — это мобильный аппарат, работающий по принципу «взял мазок, поднес, получил результат», без сложной калибровки и настройки. Разница в чувствительности составила три порядка, но даже этого оказалось достаточно, чтобы обнаружить сигнал биомаркера в клинически значимых концентрациях при помощи портативного прибора, — сказал старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский.

Клинически значимые концентрации пиоцианина у пациентов с инфекцией, вызванной синегнойной палочкой, составляют от 47 до 100 микромолей на литр. Разработанный метод полностью перекрывает этот диапазон, что позволяет выявлять возбудителя уже на ранних этапах заболевания.

— Наш подход открывает возможность проводить анализ без длительной пробоподготовки — фактически в том виде, в котором материал был получен от пациента. Это позволяет применять метод не только в лаборатории, но и непосредственно у постели больного, в приемном отделении или в службе неотложной помощи. Мы создали простой и доступный инструмент для быстрого принятия решений о терапии, — сказала заведующая лабораторией Биоаналитических методов и оптических сенсорных систем химического факультета МГУ Ирина Веселова.

Ученые уже изготовили демонстрационные образцы, подтвердившие свою эффективность в ходе экспериментов. В ближайших планах — адаптировать технологию для диагностики целых бактериальных клеток, а также других патогенных микроорганизмов.

Чаще всего медики выявляют синегнойную палочку по клиническим проявлениям, но есть случаи, когда необходима диагностика, считает директор Института биологии и биомедицины ННГУ Мария Ведунова.

— Микроорганизмы могут размножаться с большой скоростью, поэтому диагностика должна быть быстрой. Сейчас в неочевидных случаях врачу приходится опираться на интуицию или применять дополнительные препараты. Если у него в распоряжении будет экспресс-диагностика, это может спасти пациенту жизнь. Так как любая дополнительная нагрузка вредна для организма, — сказала она.

По мнению иммунолога Михаила Болкова, синегнойная палочка — опасная внутрибольничная инфекция, поэтому методы ее быстрой диагностики будут востребованы врачами.

Таким образом, разработка может стать основой для создания простых систем экспресс-диагностики, которые позволят врачам быстрее определять причину инфекции и выбирать тактику лечения. Однако прежде чем технология сможет войти в широкую клиническую практику, ученым предстоит адаптировать ее для выявления самих бактериальных клеток и подтвердить эффективность метода при работе с образцами пациентов.

Автор: Денис Гриценко

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Эдуард Корниенко