В ПНИПУ создали первую точную модель портативных систем ПЦР-диагностики

Компьютерную математическую модель, точно предсказывающую поведение частиц в микрокамере портативной системы ПЦР-диагностики, одними из первых в мире создали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 11 февраля сообщает пресс-служба вуза.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) является точным методом диагностики по ДНК/РНК инфекций и наследственных признаков, который в ходе коронавирусной пандемии стал широко известен. Но классический ПЦР-тест может занять от нескольких часов до суток. Чтобы ускорить анализ, разрабатывают портативные системы, например, конвективные ПЦР-системы, в которых микрокамера-чип копирует материал всего за 30–40 минут.

К сожалению, в настоящее время массового внедрения таких систем не происходит из-за неточности их проектирования. Существующие модели, на которые опираются проектировщики, считают раствор ДНК/РНК однородным, тогда как реально их молекулы представляют собой длинные нити, которые из-за разности температур смещаются к стенкам. В результате эти системы или медленно работают, или дают ложноотрицательные результаты.

Ученые Пермского Политеха в рамках проекта «Гидромеханика перфузионных биореакторов с функционально-градиентными свойствами», поддержанного РНФ, разработали модель, которая позволит проектировать более эффективные, быстрые и надежные ПЦР-системы.

Описание работы новой модели разработчики представили в статье «Эйлеров метод моделирования дисперсных систем на примере полимеразной цепной реакции», опубликованной в «Российском журнале биомеханики» 4 т.29, 2025 год.

Метод ПЦР является «золотым стандартом» диагностики, позволяющим по крошечному фрагменту ДНК или РНК точно идентифицировать возбудителя болезни или уникальную генетическую метку человека. Для этого пробирку с биоматериалом (например соскоб ватной палочкой клеток с внутренней стороны щеки) помещают в аппарат с быстро меняющейся температурой. В этих клетках ДНК есть, но ее лишь несколько молекул.

Циклы нагрева и охлаждения аппарата заставляют эти молекулы копироваться, и после 30–40 циклов одна молекула даст миллиарды ее точных клонов. При тесте на отцовство детектор сравнит эти полученные фрагменты ДНК отца и ребенка, и при совпадении участков отцовство будет подтверждено. Однако такой анализ потребует от нескольких часов до нескольких суток в специальной лаборатории.

Поэтому существует потребность в быстрых и доступных системах для диагностики, которые можно применить в кабинете врача или в отдаленных районах. Такой системой может в будущем стать конвективная ПЦР, которая вместо громоздкого лабораторного аппарата использует плоскую микрокамеру-чип, размер которой не превышает размеры смартфона. В ней нижняя часть нагревают, а верхнюю охлаждают, что создает естественное движение жидкости с ДНК.

Жидкость медленно циркулирует, проходя через зоны с нужной для реакции температурой, при которой происходит многократное копирование ДНК. Через 30–40 минут прибор обнаружит накопленные миллиарды одинаковых фрагментов и выдаст результат.

Однако в настоящее время проектировщики не могут точно рассчитать поведение молекул внутри маленькой, неравномерно нагретой камеры. Существующие компьютерные модели для проектирования таких систем не достаточно точны.

В большинстве случаев они рассматривают раствор ДНК как однородную жидкость, в которой молекулы равномерно распределяются по среде и двигаются по замкнутой траектории: от холодной температуры снизу до теплой сверху, где делятся, и далее перемещаются назад. Эти циклы многократно повторяются.

Исследование ученых ПНИПУ показало, что на самом деле молекулы ДНК/РНК в камере ведут себя иначе. Так как молекула ДНК состоит из десятков тысяч нуклеатидов, она ведет себя в жидкой среде как протяженная нить, и законы диффузии молекул ДНК в среде существенно отличаются от таковых для точечных включений.

Так, эти нити могут двигаться не только вместе с потоком, но и в сторону. Молекулы ДНК в этом случае смещаются к стенкам, скапливаются в углах камеры и, кроме того, «чувствуют» разницу температур, перемещаясь от горячих зон к холодным, демонстрируя так называемый эффект термофореза.

Если не учитывать такое поведение молекул ДНК, происходит расхождение между расчетными моделями и реальностью. Спроектированный по старым алгоритмам прибор может работать медленнее, чем ожидалось, и даже иногда выдавать ложноотрицательный результат, не обнаруживая, например, вирус при его наличии в пробе.

Решая данную проблему, ученые ПНИПУ одними из первых в мире создали компьютерную модель конвективной ПЦР, точно предсказывающую поведение частиц внутри микрокамеры. Это позволит проектировщикам улучшить конструкцию чипов, сделав их более эффективными.

Старший научный сотрудник, доцент кафедры ПНИПУ «Прикладная физика» кандидат физико-математических наук Рамиль Сираев пояснил:

«В отличие от всех предыдущих моделей, ключевым новшеством стало то, что мы впервые стали рассматривать молекулы ДНК как самостоятельные микрочастицы, способные двигаться независимо от потока жидкости. Именно этот подход позволил нам учесть главный ранее упускаемый эффект — движение частиц от тепла к холоду, или термофорез».

Так, исследователи выяснили, что именно термофорез нарушает температурный режим внутри чипа, и это становится причиной ошибок в результатах теста.

«В этом и была главная проблема, — продолжил пояснения заведующий кафедрой прикладной физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук Дмитрий Брацун. — ПЦР похожа на лавину: молекул становится всё больше и больше, так как они копируют сами себя в каждом цикле реакции. Сначала их движение почти незаметно, но когда их тысячи, они начинают смещаться к холодным стенкам».

Проведенные исследователями расчеты показали, что это движение уже через 10 минут может вдвое замедлить поток жидкости в чипе, сделав течение неустойчивым, что и вызывает опасный перепад температур, срывающий реакцию. Из-за этого один и тот же прибор может дать и точный результат, и ошибочный.

Для доказательства правильности своих расчетов ученые выполнили численный эксперимент, создав точную цифровую копию реального микрочипа, периодически дававшего в лабораторных условиях сбойные результаты.

Когда они провели расчет по старому алгоритму, в котором молекулы ДНК считались равномерно распределенной частью жидкости, результат оказался неточным: программа показывала равномерный нагрев и стабильную циркуляцию, не объясняя, откуда же взялись реальные ошибки.

Далее исследователи внесли в модель ключевое новшество — учет самостоятельного движения молекул к холодным стенкам. В результате на экране компьютера стали четко видны проблемные зоны: в одних участках молекулы образовывали плотные скопления, забивающие проход, а в других из-за нарушения циркуляции возникали локальные перегревы или недогревы.

Так было доказано, что именно эти искажения температурного поля являются причиной, по которой часть ДНК не копировалась, а прибор выдавал ошибочный результат.

Получив благодаря новому алгоритму наглядную «картину» проблем, проектировщики конвективных систем ПЦР могут устранять их, изменяя, например, форму каналов или перераспределяя нагрев. Таким образом, разработка пермских ученых стала важным шагом к созданию нового поколения компактных, быстрых и, главное, надежных диагностических устройств.

Имея возможность производить точный расчет всех параметров, разработчики таких систем смогут сократить время анализа с нескольких часов до 15–20 минут. Причем такие приборы будут точно работать и в современной лаборатории, и в полевом госпитале, позволяя проводить быструю и точную диагностику.