Десятки тысяч химических и биохимических экспериментов могут проводиться ежедневно с использованием микропоточной системы размером с кредитную карту, разработанной в Институте Физической Химии Польской Академии Наук. Прибор уже прошел испытания в исследованиях эффективности смесей антибиотиков.
Группа ученых Института Физической Химии Польской Академии Наук (IPC PAS) под руководством д.т.н. Петр Гарстецкий построил микропоточную систему, позволяющую сливаться потокам капель, содержащих различные растворы. Новая система позволяет производить и точно контролировать концентрации реакционных микросмесей, работает в несколько раз быстрее и с меньшими объемами жидкости, чем популярный в настоящее время в лабораториях метод микротитровальных планшетов. «Разработанное нами устройство позволит ежедневно проводить даже десятки тысяч биохимических экспериментов», - говорит Гарстецки. Микролаборатория может существенно повлиять на проведение экспериментов в области химического синтеза, медицинской диагностики и биотехнологий.
Микропоточная система, построенная в ИПЦ ПАС, представляет собой миниатюрный химический реактор размером с кредитную карту. Реакции протекают внутри мельчайших капель, движущихся по специально устроенным маленьким каналам. Объемы капель контролируются с помощью компьютера и обычно составляют ок. один микролитр. Система может работать со скоростью, позволяющей смешивать три капли в секунду. Кроме того, вместо микроклапанов, которые сложно сконструировать, ученые использовали недорогие типовые большие клапаны, которые разместили снаружи устройства.«Миниатюризация всего просто неэкономична. Вынеся вентили за пределы микросистемы, сам чип можно сделать простым, дешевым и одноразовым. Самое главное, что сами химические реакции протекают в микромасштабе в точно контролируемых условиях», объясняет Кшиштоф Чурский, аспирант.
Изобретение ученых из Института физической химии РАН уже имеет потенциал существенно повлиять на развитие многих областей химии и медицины, в частности скрининга. В настоящее время скрининг проводится с использованием микротитровальных планшетов - планшетов с несколькими сотнями лунок, заполняемых роботизированным манипулятором. В этом типе исследований стоимость одной реакции достигает ок. три доллара, но стоимость реагентов ок. 20 центов; оставшаяся часть - это расходы на содержание аппарата и его инфраструктуры. Поскольку в типичном проекте по поиску нового лекарства количество испытуемых соединений колеблется от нескольких сотен до нескольких миллионов, затраты могут достигать миллионов долларов.«Наша микропоточная система не только снижает все затраты, но и значительно сокращает время, необходимое для проведения исследований», - подчеркивает Гарстецки.
Микропоточная система IPC PAS может быть особенно полезна при поиске новых лекарств, особенно состоящих из нескольких антибиотиков. Пары антибиотиков обычно оказывают более сильное (синергические пары) или более слабое (антагонистические пары) действие, чем каждый из их компонентов в отдельности. Однако особенно интересно, что некоторые антагонистические пары проявляют высокую эффективность в борьбе с микроорганизмами, которую трудно предсказать. Существующие лабораторные методы позволяют описывать такие пары, но требуют проведения огромного количества трудоемких экспериментов. Аппарат, созданный в ИПЦ ПАН, позволяет быстро идентифицировать интересные пары антибиотиков, которые могли бы предотвратить одну из основных проблем современной медицины - создание устойчивых к лекарствам штаммов.
Испытания, проведенные в Институте физической химии ПАН, позволили ученым продемонстрировать работу микропоточной системы в условиях, имитирующих прогон автоматизированного скрининга. Каждая микрокапля сливалась с двумя микрокаплями антибиотиков, хлорамфеникола и тетрациклина, причем объемы первых двух изменялись динамически, что регулировало пропорции между препаратами. Смешанные в системе микропотока капли оставляли на три часа для инкубации бактерий. Затем анализировали интенсивность света, излучаемого маркерами метаболизма, что позволяло легко определить жизнеспособность колоний в отдельных каплях. Весь процесс был автоматизирован и показал, что смесь исследуемых антибиотиков наименее эффективна при равном соотношении компонентов.
Технологии микропотоков рассматриваются как будущее химической технологии. Они восходят к 1990-м годам, когда начались работы над первыми системами каналов. В то время жидкости с химическими реагентами пропускались по каналам диаметром в десятые и сотые доли миллиметра. При использовании малых объемов поток является ламинарным и подвержен эффектам, связанным с вязкостью, что облегчает контроль за ходом реакции (в макромасштабных потоках часто преобладают инерция и турбулентность). Системы, производящие капли, просты и недороги, вещества в микроканалах очень хорошо перемешиваются, а их течение обычно обусловлено разностью давлений, т.е. физическим явлением, не влияющим на химический состав жидкости (в отличие, например, от течений, которые вызванное электрическим полем). В будущем объем капель может быть уменьшен до нанолитров или даже пиктолитров. Многие ученые согласны с тем, что микропоточные системы изменят природу современной химии так же резко, как интегральные схемы изменили электронику в 1970-х годах.