Разработка, изготовление, испытание и доработка по результатам испытаний прототипа медико-биологической диагностической платформы для автоматического нахождения патологических клеток в биологическом образце на основе анализа мембранного потенциала и импеданса клеток образца и обработки данных при помощи алгоритмов искусственного интеллекта

Неуклонно развивающийся промышленный прогресс в современном обществе значительно повлиял на рост социально-значимых заболеваний среди всего населения. Курение, алкоголь, малая подвижность, загрязненный воздух и многое другое стали лишь катализатором при распространении таких заболеваний в социуме. Как ни странно, рак причислен к социально-значимым заболеваниям. Ведение нездорового образа жизни и распространение вирусных и бактериологических инфекций, таких как вирус гепатита В, вирус папилломы человека (ВПЧ), ВИЧ и др., приводят к увеличению распространения онкологических заболеваний. По данным Министерства здравоохранения России на 1 февраля 2020-го онкологические заболевания являются второй самой распространенной причиной смерти в стране. В период с 1 февраля 2019 по 1 февраля 2020 года в России от онкологии умерло свыше 280 тысяч человек. А в настоящее время рак или подозрения на онкологию зафиксированы у 350 тысяч граждан. Статистика, описанная в журнале A Cancer Journal for Clinicians (https://acsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.3322/caac.21660) не является утешительной, поскольку по примерным оценкам исследователей в мире смертность от онкологических заболеваний составила около 10 млн. человек за 2020 год. Согласно прогнозам, в 2040 году в мире возникнет 28,4 миллиона новых случаев рака, что на 47% больше, чем 19,3 миллиона случаев в 2020 году, при условии, что национальные показатели, рассчитанные в 2020 году, останутся неизменными. По данным ВОЗ высокую смертность от рака можно снизить с помощью альтернативного подхода, такого как ранняя диагностика, которая приводит к более эффективному лечению. Безусловно, ранняя диагностика позволяет предопределить прогрессирующую стадию и подобрать правильное лечение, ограничившись лишь одним пораженным органом. Развитие медицины и биотехнологии привело к пониманию всех процессов заболевания, происходящих на клеточном уровне, и увеличению количества методов детектирования. Однако требования к разработке и проведению таких исследований довольно высоки: высокая достоверность (наличие низкого процента как ложноотрицательных, так ложноположительных результатов), низкая стоимость, возможность автоматизации анализа, количество получаемой информации. Широко используемые на данный момент методы далеки от идеала, поскольку не могут быть до конца автоматизируемы, что несет за собой высокую погрешность. Одним из перспективных подходов, применяемых для ранней диагностики онкологических заболеваний является разработка сенсоров, способных анализировать и интерпретировать некоторые характеристики клетки (жесткость, мембранный потенциал, объем и .т. д.), тем самым определяя в ней патологию. Однако, на сегодняшний день на рынке нет адекватных моделей, соответствующих всем требованиям, предъявляемым медициной к методам ранней диагностики рака. Поэтому целью НИОКР 1-го этапа СТАРТ-ЦТ являлась разработка опытного образца медико-биологической диагностической платформы для диагностики онкологических заболеваний, которая проводит в автоматическом режиме измерение мембранного потенциала и импеданса клеток образца биопсии, и проводит алгоритмический анализ полученных данных с использованием алгоритмов искусственного интеллекта, проводит расчет вероятности онкологического заболевания. Реализация опытного образца медико-биологической диагностической платформы для диагностики онкологических заболеваний, осуществлялась на разработке сенсора на основе мутантов археородопсина-3 (А-формы - Tyr60Phe/Thr180Pro/Ile218Phe, Б-формы - Tyr60Phe/Thr80Ser/Asp86Met/Pro212Met) для оптического измерения мембранного потенциала до 70 клеток биологического образца одновременно, с использованием patch-clamp системы. При этом активация сенсора мембранного потенциала проводится оптически (лазером с интенсивностью более 500 мВт/мм2) на длине волны в диапазоне 600-640 нм, детектирование ведется на длине волны 740 нм. В результате работы была показана возможность измерения мембранного потенциала покоя с погрешностью 10 мВ. Разработка модифицированных микроэлектродов на основе Ru и Ni-Au с улучшенными электрохимическими характеристиками для измерения импеданса до 70 клеток биологического образца одновременно, с использованием разработанной установки для измерения иммитанса. В результате работы была показана возможность измерения мембранного потенциала покоя с погрешностью 5 кОм на частоте переменного напряжения 38 кГц. Диапазон измерения импедансного спектра: 25 - 40 кГц. В результате полученная медико-биологическая диагностическая платформа, представляющая собой: резервуар, в который помещается анализируемой биологический образец; аппаратная часть платформы; ПО для обработки данных; раствор с плазмидами, кодирующими сенсор мембранного потенциала способна находить патологические клетки в биологическом образце и рассчитывать вероятность патологии на основании собранных данных об образце. Установленное ПО помогает рассчитывать достоверность исследования на основании собранных об образце данных, по шкале от 0 до 1. Результатом выполнения НИОКР первого года стал прототип медико-биологической диагностической платформы для диагностики онкологических заболеваний, которая проводит в автоматическом режиме измерение мембранного потенциала и импеданса клеток образца биопсии, и проводит алгоритмический анализ полученных данных с использованием алгоритмов искусственного интеллекта, проводит расчет вероятности онкологического заболевания. Платформа была протестирована на конкретных биологических образцах, а именно на клетках HEK293, HeLa, K562. Также были разработаны удобные и простые графический пользовательский интерфейс и инструкция по эксплуатации к нему. Подобная разработка уже может быть выведена на рынок в качестве самостоятельного отдельного продукта, которой могут пользоваться для проведения ранней диагностики онкологических заболеваний на клеточном уровне сотрудниками биотехнологических, диагностических и пр. лабораторий. Разработанный прототип является уникальным и принципиально отличается от других разработанных платформ: возможностью одновременного измерения мембранного потенциала и импеданса от 2 до 70 клеток биологического образца; возможность проведения автоматизированного анализа по разработанным в ходе НИОКР уникальных протоколов; возможностью определения патологических клеток в биологическом образце с вероятностью 95%; наличием удобного пользовательского интерфейса. Поэтому данную разработку можно напрямую внедрять для диагностики рака на ранних стадиях при исследовании различных видов и типов рака. В дальнейшем будут проводиться работы по расширению спектра диагностируемых заболеваний (модифицирование сенсоров для обнаружения вирусных социально-значимых заболеваний, таких как гепатит В, С), а также будет улучшаться разработанная медико-биологической диагностической платформы для диагностики онкологических заболеваний, путем увеличения достоверности получаемых результатов до 99%. В результате проведения НИОКР 1-го года СТАРТ-ЦТ была разработана и зарегистрирована в ФИПС программа для ЭВМ “Программа, реализующая алгоритм для расчета вероятности онкологического заболевания на основании результатов измерений мембранного потенциала и электрического импеданса клеток образца биопсии”.