Микрофлюидная платформа для высокопроизводительного многоступенчатого скрининга биообъектов в эмульсионных каплях

Разработка новых лекарств является чрезвычайно затратным и малоэффективным процессом. Средняя эффективность разработки новой терапевтической молекулы резко снижается с 1950-х годов. Так, например, за последние 30 лет было выведено на рынок менее 30 новых антибиотиков. Также важнейшим вызовом системе здравоохранения является распространение резистентности бактерий к существующим антибиотикам. Антибиотикорезистентность влечет за собой не только очевидный риск возникновения неизлечимых инфекционных заболеваний, но и ставит под угрозу применение множества медицинских технологий, например, обычных хирургических операций и трансплантации органов. Кризис антибиотикорезистентности связан с проблемой поиска новых антибиотиков. Несмотря на то, что современные технологии органической химии и биотехнологии позволяют синтезировать библиотеки малых молекул, ДНК, РНК и белков размерами от десятков до сотен миллионов вариантов, поиск в них наиболее эффективных терапевтических агентов является чрезвычайно сложной и трудоемкой задачей. С развитием микрофлюидных технологий производительность скрининга стала возрастать, что позволило начать анализировать большие ансамбли биомолекул. Перенос реакций в микро масштабный формат позволил уменьшить объемы резервуаров с жидкостями до нанолитрового объема и увеличить количество анализируемых вариантов до нескольких тысяч на одном микрофлюидном чипе (Sun et al., Biomicrofluidics, 2019). Появление капельной микрофлюидики, способной проводить биохимические реакции в пиколитровых каплях эмульсии “вода-в-масле”, генерируемых с частотой несколько тысяч штук в секунду, позволяет еще значительнее увеличить производительность скрининга и начать анализировать библиотеки молекул количеством от 100 тыс. шт. и более (Terekhov et al., PNAS 114:2550, 2017; Terekhov et al., PNAS 115:9551, 2018). Однако, в отличие от пробирок и многолуночных планшетов, добавление новых реагентов в капли эмульсии является нетривиальной задачей. Указанная проблема не позволяет реализовывать сложные протоколы с несколькими этапами. Например, если требуется провести сначала культивирование образца в капле с библиотекой и только после этого добавить определенные вещества для дальнейшего анализа. В связи с этим, несмотря на широкие возможности капельной микрофлюидики на сегодняшний день на рынке отсутствует коммерческая микрофлюидная платформа для многоступенчатого скрининга биомолекул в автоматическом режиме. Создание такой платформы позволит значительно увеличить вариативность и ускорить скрининг больших ансамблей биомолекул для разработки актуальных терапевтических препаратов на основе ферментов, антител, антимикробных пептидов, гормонов и др. молекул. Таким образом, целью проекта является создание микрофлюидной платформы для управляемого слияния двух типов капель друг с другом для добавления заданного реагента к одной из них в процессе скрининга лекарственных препаратов. Главной научной новизной проекта являются новые технические решения, обеспечивающие дестабилизацию поверхностно-активных веществ (ПАВ), стабилизирующих эмульсию, и управляемое слияние двух типов капель друг с другом. Проект позволит существенно расширить возможности скрининга веществ: осуществлять многостадийные реакции и длительное культивирование клеток перед стадией их анализа.