Разработка конструкции, технологического маршрута и изготовление для клинических испытаний опытной партии тест-системы раннего выявления маркеров онкологических заболеваний в сыворотке крови

Выявление целевых биомаркеров, сопровождающих развитие заболеваний на ранней бессимптомной стадии, является отправной точкой для выбора адекватного и эффективного лечения. Большинство белковых маркеров присутствуют в крови с низкой (менее 10-13 М) и ультранизкой концентрациями (менее 10-15 М). Применение стандартных иммуногистохимических, иммуноаффинных методов (ELISA) и проч. ограничено для высокочувствительной белковой диагностики вследствие: их низкой концентрационной чувствительности, не менее 10-12 М, а также необходимостью использования ферментных и флуоресцентных меток. Перспективным направлением исследований по разработке новых высокочувствительных методов регистрации низкокопийных белков является создание диагностических устройств на основе ионно-чувствительных транзисторных элементов в форме полосок нанометровых размеров (нанострипов).

К преимуществам таких устройств относятся:
- высокая чувствительность, менее 10-13…10-15 М;
- возможность регистрации целевых белков в режиме реального времени, напрямую без использования специальных меток;
- возможность миниатюризации устройств за счет интеграции с микрофлюидными инкубационными ячейками и системой сбора-обработки информации.

Направление: «Кластерные, «вытягивающие» проекты».

Проект: «Создание и развитие кластера микро-, нано- и биоэлектроники».

Сфера деятельности: кластерные, «вытягивающие» проекты, региональный проект «Создание и развитие кластера микро-, нано- и биоэлектроники», опытно-технологическая разработка с созданием высокотехнологичного производства. 

Цель проекта: разработка конструкции, технологического маршрута и изготовление для клинических испытаний опытной партии тест-системы раннего выявления маркеров онкологических заболеваний в сыворотке крови и последующая организация серийного выпуска на предприятии – индустриальном партнере.

Принцип детекции целевых белков основан на регистрации изменения электрической проводимости сенсорными элементами тест-системы, пред-ставляющими собой ионно-чувствительные транзисторные элементы на структурах кремний на изоляторе (КНМ) с каналами, поверхность которых сенсибилизирована аффинными зондами (антителами/олигнуклеотидами и проч.), служащими виртуальными затворами транзисторов при их взаимодействии с молекулами целевых белков (онкомарекерами) в сыворотке крови пациентов. Концентрационная чувствительность разрабатываемой МСТ составит не более 10-13 М. Регистрация целевых белков будет проводиться в режиме реального времени.

Задачи проекта:
1. Проведен сравнительный анализ номенклатуры, вариантов комплектации конкурентоспособной продукции основных зарубежных и российских производителей по функциональным и эксплуатационным характеристикам аналитических систем для выявления белковых онкомаркеров в крови за период 2008–2014 гг.
2. Проведен масс-спектрометрический скрининг (методом «shot-gun») белкового состава образцов сыворотки крови больных онкологическими заболеваниями с целью выявления потенциальных белковых онкомаркеров для разрабатываемой тест-системы. Производительность скрининга составит более 1 500 белков в одном образце плазмы крови.
3. Проведен отбор специфических олигонуклеотидов для целевых белков.
4. Будет разработан технологический маршрут изготовления опытных образцов МСТ, в том числе:
4.1. Проведено моделирование конструктивных параметров и отклика МСТ на адсорбцию молекул целевых белков в зоне сенсорных элементов с использованием программной среды TCAD и MATLAB, соответственно. Планируется оптимизировать конструкцию экспериментального образца МСТ, а также алгоритм обработки сигнала в режиме максимального отклика МСТ для Программного обеспечения «Нанобиосенсор» (Свид-во о государственной регистрации № 2013614266).
4.2. Разработаны и изготовлены тестовые кристаллы, содержащие массив ионно-чувствительных транзисторных элементов, с использованием малостадийной лазерно-интерференционной не литографической технологии. Топология кристаллов и параметры ионно-чувствительных транзисторных элементов будут оптимизирована для детекции целевых белков с чувствительностью не менее 10-13 М в образцах сыворотки крови (разработка ИФП СО РАН). В качестве основного материала будут использованы структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) отечественного производства (разработка ИФП СО РАН). Кремний выбран, как основной материал микро- и наноэлектроники, обеспечивающий масштабирование лабораторной технологии в производство у индустриального партнера.
4.3. Изготовлена опытная партия тест-систем.
4.4. Разработаны методики:
– модификации олигонуклеотидами поверхности ионно-чувствительных транзисторных элементов – не менее 6 типов;
– регистрации целевых белков в модельном растворе – концентрационная чувствительность не более 10-14 М;
– регистрации целевых белков в образцах цельной и/или обедненной сыворотке крови – концентрационная чувствительность не более 10-13 М;
– регенерации экспериментальных образцов МСТ – не менее 3 циклов.
– контроля технологических параметров лазерных процессов получения наноструктур на подложках;
4.5. Разработана микрожидкостная ячейка и автоматизированный способ подачи и забора аналита в зону сенсорных элементов.
4.6. Разработан способ корпусирования экспериментальных образцов МСТ.
Работы, связанные с конструированием и корпусированием экспериментальных образцов МСТ, планируется выполнить за счет внебюджетных средств, предоставляемых индустриальным партнером ОАО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов с Опытным КБ».
5. Будет изготовлен комплект лазерных технологических установок по изготовлению чипов с нанопроволочными сенсорами.
6. Будут проведены испытания опытных образцов МСТ для детекции белковых маркеров онкологических заболеваний в образцах сыворотки крови при многократной регенерации тест-системы. Сенсорные элементы, или ионно-чувствительные транзисторные элементы, будут сенсибилизированы отдельными типами/смесью олигонуклеотидов против целевых онкомаркеров. Далее будут проинкубированы в растворе аналита (образец сыворотки крови), содержащем целевой белок/смесь целевых белков в концентрации до 10-13…10-14 М. Будут зарегистрированы и обработаны сигналы с экспериментального образца МСТ.
7. Будет сформирована коллекция биологических образцов в составе:
– образцов сыворотки крови онкологических заболеваний пищеварительной и/или дыхательной и/или выделительной системы: не менее 50 образцов;
– образцов сыворотки крови здоровых добровольцев: не менее 30 образцов.
8. Будет проведен патентно-информационный поиск по основным применяемым методам при производстве экспериментальных образцов МСТ с характеристиками, близкими к разрабатываемым медико-техническим требованиям.

Ожидаемые результаты:
1. Партия опытных образцов мультистриповой тест-системы в виде чи-пов, представляющие собой кристалл с массивом ионно-чувствительных нанопроволочных транзисторных элементов, активированных олигонуклеотидами, специфичными к целевым белковым маркерам онкологических заболеваний.
2. Технологический маршрут изготовления опытных образцов МСТ для регистрации целевых белков.
3. Проведены работы по созданию и/или модификации технологического оборудования для организации опытного производства.
4. Программа, методики и комплект контрольно-испытательного оборудования для тестирования опытных образцов МСТ для регистрации целевых белков в растворе аналита и сыворотке крови.
5. Проект инструкции по применению образцов МСТ.
6. Технические требования на проведение последующих ОКР по теме «Разработка конструкции и изготовление для клинических испытаний пилотной партии тест-системы по детекции маркеров онкологических заболеваний в сыворотке крови».

Команда проекта:
Чесноков Дмитрий Владимирович, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники СГУГиТ, руководитель проекта, к.т.н.
Попов Владимир Павлович, руководитель проекта от ИФП СО РАН, заведующий лабораторией ФОМК, д.ф.-м.н.
Глухов Александр Викторович, руководитель проекта от НЗПП с ОКБ, доц., к.т.н.
Шабурова Аэлита Владимировна, директор Института оптики и оптических технологий СГУГиТ, экономический советник, доц., д.э.н.
Чесноков Владимир Владимирович, профессор-консультант кафедры физики СГУГиТ, научный консультант, проф., д.т.н.
Карманов Игорь Николаевич, заведующий кафедрой физики СГУГиТ, доц., к.т.н.
Айрапетян Валерик Сергеевич, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий СГУГиТ, д.т.н.
Никулин Дмитрий Михайлович, доцент кафедры физики СГУГиТ, к.т.н.
Шергин Сергей Леонидович, доцент кафедры физики СГУГиТ, к.т.н.
15 аспирантов и студентов на инженерных ставках, а также 15 ИТР без степени

Контакты:
тел.: +7 (383) 353-36-94, +7-903-998-49-61
e-mail: d.v.chesnokov@ssga.ru
адрес: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного,10