Но инновационное использование бумаги пошло дальше микрофлюидных устройств и двинулось в микроскопию. Поразительная инновация – экономичный микроскоп «оригами», изобретенный Ману Пракашем из Стэнфордского университета (рис. 14.4)15–20. Он собирается из плоского листа бумаги за 10 минут. Фолдскоп, или сворачиваемый микроскоп, помещается в карман, не требует внешнего источника энергии, весит меньше двух 15-центовых монет и может увеличивать объект более чем в 2000 раз. Ему требуются крошечные линзы, которые стоят 56 центов, и трехвольтовая батарейка таблеточного типа за шесть центов, а также светодиод стоимостью 21 цент, клейкая лента и переключатель, все вместе – меньше $1. Было продемонстрировано, как он увеличивает Leishmania donovani, Trypanosoma cruzi, E. coli, Schistosoma haematobium, Giardia Lamblia и многих других бактерий и паразитов19.
Новые способы быстрого диагностирования малярии, которая убивает примерно 600 000 человек в год, указывают на общую тенденцию перехода на очень недорогие портативные диагностические инструменты10, 21–23. Малярийные паразиты при переваривании гемоглобина производят железосодержащие кристаллы гемозоина24. Кристаллы можно распознать через нанопузырьки, которые формируются и лопаются, когда зараженные клетки подвергаются воздействию лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона. Характерный звук позволяет выявить малярию (рис. 14.5) «подобно тому, как эсминец обнаруживает подводную лодку»24. Этот анализ кожи дает мгновенные результаты, определяя малярию на любом ее этапе, без реагентов и без взятия проб крови, при этом поражает уровень его чувствительности: можно определить одну инфицированную клетку из 800 красных кровяных телец, без ложноположительных результатов. Это занимает 20 секунд и стоит 50 центов. Вначале результаты были проверены на мышах, сейчас уже давно идут клинические испытания. Еще одно устройство для диагностики малярии надевают на запястье, оно определяет малярийный пигмент гемозоин с помощью объединенного магнитного и оптического датчика, который может быть использован многократно25. Есть и несколько новых способов диагностики малярии с использованием количественной полимеразной цепной реакции (ПЦР), для которой требуется капля крови, в частности, такой тест предлагает стартап Amplino. Особенно привлекательно применение ПЦР в портативных мобильных устройствах, таких как «Генный радар» компаний Nanobiosym26, QuantuMDx и Biomene (рис. 14.6 и 14.7)27–30. Возможность делать секвенирование в пунктах оказания медицинской помощи расширяет перспективы секвенирования ДНК с помощью портативных приборов на различные патогены, включая гонорею и другие заболевания, передаваемые половым путем, вирус Западного Нила, денге и туберкулез. Еще более простой способ – колориметрическая проба на туберкулез, малярию или ВИЧ, выполняемая на месте с использованием тестовой полоски и камеры смартфона. Этот метод разработан в Кембриджском университете (рис. 14.8)31, 32.
В условиях плохо развитой инфраструктуры становятся доступными другие инструменты. Резкое падение финансовых и временны́х затрат, требуемых для геномного секвенирования, обеспечивает новые возможности диагностики устойчивости к противомикробным препаратам путем секвенирования патогена из культуры, а еще быстрее – из пробы, как, например, слюны или мокроты. Прекрасный источник для молекулярной диагностики – не только жидкости организма, но и дыхание33. Масс-спектрометрический анализ дыхания используется для выявления туберкулеза и показывает одинаковые результаты с традиционной микроскопией мазка слюны или мокроты33. Последний не особенно годится на роль золотого стандарта, так как в 40 % – 60 % случаев диагностика не срабатывает. Хотя широкомасштабных испытаний анализов дыхания не проводилось, специфическая диагностика на месте, известная как Xpert, при которой используется амплификация ДНК[50] для определения туберкулеза одновременно с устойчивостью к рифампину, прошла проверку во время рандомизированных испытаний в ЮАР, Зимбабве, Замбии и Танзании с участием свыше полутора тысяч человек34. Это не уменьшило процент заболеваемости и смертности в целом (главная цель), но Xpert-тест способствовал росту числа людей, готовых лечиться, и уменьшению доли отказавшихся от лечения, к тому же его легко мог делать персонал, не проходивший специального обучения34.
Патоген (микроб, вирус) – это не единственная проблема, заслуживающая внимания. На самом деле есть серьезные доказательства, свидетельствующие и о значении носителя (человека). Недоедание в развивающихся странах, помимо всего прочего, является фактором предрасположенности человека к инфекции, и причина многих инфекций очень сильно связана с микробиомом кишечника35–39. Более 20 млн детей по всему миру страдают от недоедания, а показатели смертности у госпитализированных детей с квашиоркером[51] – дефицитом белка из-за плохого питания – составляют аж 50 %. Во время рандомизированных испытаний в сельской местности Малави, типичной для Тропической Африки, проводилось тестирование двух различных антибиотиков и плацебо у 2767 детей в возрасте от полугода до пяти лет (рис. 14.9). Было отмечено существенное уменьшение смертности при использовании антибиотиков, но ясно, что количество смертей все еще чрезвычайно велико и в случае лечения40, 41. Но при другом исследовании 317 пар близнецов из Малави, когда один из близнецов страдал от острого истощения, микробиом кишечника показал, что дисбаланс бактериальных популяций можно восстановить с помощью витаминизированного арахисового масла37. Оно сильно отличается от типичного рациона питания в Малави, где употребляют пищу, богатую крахмалом. Когда менее разнообразный микробиом кишечника детей с квашиоркером трансплантировали (в виде фекальных проб) мышам, животные восстанавливали потерянный вес при кормлении обогащенным арахисовым маслом. Эти два впечатляющих исследования продемонстрировали взаимосвязь между питанием, микробиомом и носителем при крайней форме истощения, а также значение спасительного вмешательства в виде питания и антибиотиков. Но в известном смысле их можно рассматривать просто как первый шаг после выявления основных причин проблемы. В будущем дешевые инструменты для диагностики и секвенирования на месте (рис. 14.5, 14.6, 14.7 и 14.8) помогут точно и быстро определить виды бактерий-возбудителей и дисбаланс, чтобы в каждом конкретном случае подобрать подходящие пробиотики42, 43.
Вероятно, еще более поразительным достижением мобильных технологий станет возможность пересылать вакцину через Интернет. Вентер и его коллеги уже продемонстрировали потенциальный способ быстрого создания синтетической вакцины против гриппа, соответствующей возбудителю (рис. 14.10), – кода, который может, по крайней мере теоретически, передаваться с помощью электронных средств связи в режиме реального времени в любое место на планете для первичной системы реагирования на пандемию44. Конечно, грипп – это всего лишь типичный образец большого количества микроорганизмов, к которым может быть применена эта стратегия. Это, безусловно, одна из самых удивительных ближайших перспектив синтетической биологии и пример слияния цифровой и биологической информационных сфер приложения усилий для совершенствования медицины.
В развивающихся странах не только растет число жертв незаразных болезней, но от одного только рака умирает больше людей, чем от ВИЧ, туберкулеза и малярии вместе взятых. Каждый год рак диагностируется у 14 млн человек, и 57 % из них – представители стран с низким и средним доходом, и на них приходится примерно 70 % смертей, причиной которых считают рак (и 80 % смертей, которых можно было бы избежать) по всему миру45. Это относится к раку груди, несомненно ставшему теперь глобальным заболеванием: в предстоящем десятилетии ожидается 20 млн случаев заболевания и более половины из них – в странах с низким и средним доходом46. Во многих из этих стран наблюдается не только ужасающая нехватка онкологов и других специалистов, но и центров лечения, и инфраструктуры для точной диагностики и лечения рака. Однако подобно тому, как для диагностики инфекционных болезней применяются бумажные анализаторы, инновации появляются и для рака47–49. Инженеры из MIT разработали быстрый и дешевый анализ мочи, основанный на взаимодействии наночастиц с белками опухоли, для распознавания опухоли50. Сангита Бхатия, ведущий автор публикации, сказал: «Мы считаем, это было бы потрясающе – адаптировать его для развивающихся стран, превратив в простой бумажный тест, который можно делать с необработанными образцами в сельской местности, без специального оборудования. Считывание данных можно доверить удаленному специалисту, переслав их в виде фотографии с мобильного телефона»50. Пациенты получают инъекцию наночастиц и мочатся на бумажную тестовую полоску, покрытую антителами, которые обнаруживают наночастицы, вступившие во взаимодействие с аномальными раковыми белками. На практике, если такой тест пройдет испытания и будет утвержден, он будет действовать во многом как домашний тест для определения беременности47. Исследователи даже работают над долгосрочными, в противоположность однократным, замерами, когда препарат из наночастиц будет имплантироваться подкожно.
