Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание программного обеспечения для обработки результатов протеомных измерений, полученных с помощью нанопроволочного биосенсора

Номер контракта: 14.576.21.0074

Руководитель: Иванов Юрий Дмитриевич

Должность: Заместитель Генерального директора

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
система сбора данных, нанопроводной детектор, регистрация белка

Цель проекта:
1. Основой исследовательских и медицинских технологий для многопараметрической молекулярной диагностики являются методы регистрации белков, позволяющие работать в диапазоне ультранизких концентраций и отличающиеся высоким быстродействием. Из литературы известно, что метод нанопроволочной (НП) детекции относится к высокочувствительному (концентрационная чувствительность определения белков в биологической жидкости до 10^(-15)M [Malsagova K. Et al., 2015, Anal. Methods, 7, 8078-8085]) методу анализа биоспецифических взаимодействий, в том числе антитело/антиген, аптамер/антиген. В качестве устройств регистрации сигнала обычно используются стандартные пикоамперметры, обладающие возможностью регистрировать сверхмалые токи (до 10^(-14) А). Разработанный в ИБМХ биосенсор на основе нанопроволочного детектора позволяет проводить измерения отдельных белков при концентрациях вплоть до 10^(-15) М, при этом регистрируемые токи в нашем биосенсоре значительно выше, 10^(-7)-10^(-9) А, что позволяет использовать измерительную технику вдали от порога регистрации. Это понижает возможность ошибки измерений. Также такие значения регистрируемых токов позволяют принципиально повысить скорость считывающего устройства. При регистрации токового сигнала нанопроволочных биосенсоров и сборе полученных данных существует две проблемы. Первая проблема заключается в том, что современные стандартные измерительные системы KEITHLEY (США) и Agilent (США) при использовании стандартного программного обеспечения (ПО) не позволяют проводить измерения в высокоскоростном режиме. Стандартное ПО позволяет регистрировать 1 измерение в секунду, а для высокопроизводительных многоканальных измерений необходима скорость порядка 1 измерения в миллисекунду. Кроме того, одно устройство регистрации тока снимает сигнал с одного НП-сенсора, а на одном чипе могут располагаться десятки НП-сенсоров. Поэтому также существует вторая проблема – проблема сопряжения нескольких регистрирующих устройств в одну систему сбора данных для проведения высокопроизводительных измерений. 2. Цели выполнения проекта: 1) Создание высокоскоростной системы сбора и обработки данных, зарегистрированных с помощью нанопроволочного молекулярного детектора. 2) Создание программного обеспечения для сбора и обработки результатов протеомных измерений, полученных с помощью нанопроволочного биосенсора. Созданная в результате выполнения проекта система сбора данных позволит решить проблему проведения многоканальных измерений с помощью нанопроволочного биосенсора в высокоскоростном режиме.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта получены следующие научно-технические результаты:
1. Программное обеспечение системы сбора данных для нанопроволочного молекулярного детектора (далее – ПО ССД).
2. Дистрибутив ПО ССД.
3. Проект инструкции по установке дистрибутива ПО ССД.
4. Программа и методики исследовательских испытаний ПО ССД.
5. Проект инструкции по применению ПО ССД.
6. Технические требования и предложения по эксплуатации ПО ССД с учетом технологических возможностей производителя нанопроволочного молекулярного детектора.
7. Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с требованиями ГОСТ 15.011-96.
8. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка системы сбора данных для нанопроволочного молекулярного детектора».
9. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР.
Основные характеристики полученных результатов:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты за период 2009 – 2014 гг.
2. Выполнены выбор и обоснование направления исследований, в том числе:
1) проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
2) проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений для программного обеспечения ССД;
3) выработаны общие принципы построения программного обеспечения ССД;
4) разработаны варианты возможных решений задачи, выбран и обоснован оптимальный вариант решения задачи, в том числе проведена оценка:
– максимального быстродействия измерений и получения данных измерений в реальном времени с оптимизацией отношения скорости измерения и шума;
– обеспечения одновременных многоканальных измерений с использованием нескольких приборов в собственной конфигурации;
– обеспечения использования возможностей архитектуры современных вычислительных систем, включая многоядерные и многопроцессорные конфигурации.
3. Разработано программное обеспечение ССД, в том числе:
– разработаны элементы исходного кода программного обеспечения ССД;
– разработана архитектура программного обеспечения ССД;
– разработан пользовательский интерфейс программного обеспечения ССД;
– разработаны протоколы коммуникаций ССД;
– выполнена наладка компонентов ССД и процессов взаимодействия компонентов ССД между собой и с операционной системой персонального компьютера.
4. Разработан дистрибутив программного обеспечения ССД.
5. Разработана программная документация на программное обеспечение ССД и изготовлены дистрибутивы программного обеспечения ССД в количестве 5 шт.
6. Осуществлена компоновка дистрибутива программного обеспечения ССД на флэш-накопителе.
7. Разработана Программа и методики исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
8.Разработан проект инструкции по установке дистрибутива программного обеспечения ССД.
9. Разработан проект инструкции по применению высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
10. Коллекция шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в требуемых форматах сформирована и зашита в ПО ССД.
11. Осуществлен запуск и наладка высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
12. Изготовлены экспериментальные образцы нанопроволочных биосенсоров (в количестве 20 шт.) для проведения исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
13. Проведены исследовательские испытания высокоскоростной системы сбора и обработки данных в различных конфигурациях, включая использование различных интерфейсов связи и режимов работы пикоамперметров с использованием биологических образцов - буферных растворов белков.
14. Разработаны методики:
– установки и настройки используемых для работы программного обеспечения ССД вычислительной техники, операционной системы и пикоамперметров;
– эксплуатации программного обеспечения ССД в режиме многопользовательской централизованной системы;
– защиты от несанкционированного доступа к программному обеспечению ССД и данным высокоскоростной системы, хранящимся на персональном компьютере с применением стандартных средств безопасности операционной системы и СУБД;
– статистического анализа и сравнения результатов измерений сигналов с нанопроволочного детектора производимых ССД.
15. Проведена корректировка научно-технической и программной документации по результатам исследовательских испытаний.
16. Выполнена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей проекта.
17. Разработаны рекомендации по возможности использования полученных результатов в реальном секторе экономики.
18. Разработаны технические требования и предложения эксплуатации программного обеспечения ССД с учетом технологических возможностей производителя нанопроводного молекулярного детектора, в том числе:
– спецификация и технические параметры требуемого оборудования для проведения измерений с использованием программного обеспечения ССД;
– квалификационные требования к персоналу, осуществляющему эксплуатацию программного обеспечения ССД.
19. Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка системы сбора данных для нанопроводного молекулярного детектора».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разработанная высокоскоростная система сбора и обработки данных, зарегистрированных с помощью нанопроволочного молекулярного детектора, предназначена для визуализации и обработки сверхмалых токов и напряжений, зарегистрированных нанопроволочным молекулярным детектором, и возникающих при биоспецифическом взаимодействии биомолекул, включая антиген/антитело, антиген/аптамер и т.п.
Программное обеспечение ССД представляет собой набор программных компонент, функционирующих в среде семейства ОС MS Windows и обеспечивающих проведение измерений сверхмалых токов и напряжений нанопроволочным молекулярным детектором.
Высокоскоростная система сбора и обработки данных совместима с современными стандартными пикоамперметрами KEITHLEY (США) и Agilent (США).
Высокоскоростная система сбора и обработки данных удовлетворяет следующим требованиям:
- количество одновременно используемых приборов – не более 5;
- используемые интерфейсы, или коммуникационные порты (не более 4), порты USB (не более 4), порты GPIB (не более 2);
- время подготовки к измерениям – не более 15 минут;
- программное обеспечение CCД построено на базе модульных программно-технических средств;
- высокоскоростная система сбора и обработки данных имеет средства администрирования и настройки;
- время выполнения одного измерения находится в диапазоне от 1 мсек до 1 сек при уровне тока 10^(-10) А.
- Обработка результатов биологических измерений может проводится для многоканальных измерений сверхмалых токов до 10^(-10) А;
- Минимальная детектируемая концентрация регистрируемого аналита составляет не более 10^(-14) М;
- Обеспечивается удаленный доступ к измерительной системе через компьютеры сети;
- Обеспечивается архивация данных на программном уровне, позволяющая хранить данных измерений от всех приборов в общей реляционной базе данных;
- Обеспечивается возможность статистического анализа данных, преобразования и аппроксимации данных.
2. Нанопроволочные детекторы позволяют регистрировать белок в растворе при концентрациях вплоть до 10^(-17) М [Buitrago, E., et al., VLSI-TSA, 2014, DOI: 10.1109/VLSI-TSA.2014.6839691], а в сыворотке крови при 10^(-15) M [Malsagova, K., et al., Anal. Methods, 2015, DOI: 10.1039/c5ay01866h]. В частности, разработанный в ИБМХ биосенсор на основе нанопроволочного детектора позволяет проводить измерения отдельных белков в концентрации до 10^(-15) М при регистрации токов в диапазоне 10^(-7)-10^(-9) А. Большой интерес для протеомики и диагностики представляет многоканальная детекция белков с использованием массива НП-сенсоров, корпусированных в одном чипе. Для проведения измерений при этом используются стандартные регистрирующие устройства, в том числе пикоамперметры KEITHLEY (США) и Agilent (США), обладающие возможностью регистрировать сверхмалые токи (до 10^(-14) А). В связи с универсальным характером применения стандартных приборов, используемых для регистрации сигнала, предоставляемые производителем программные средства обработки и визуализации данных имеют ряд существенных функциональных ограничений и не обеспечивают необходимых требований по точности, быстродействию и гибкости измерений, обеспечивая сбор данных со скоростью ~1 измерение/с, что недостаточно для проведения многоканальных измерений. Для обеспечения необходимого быстродействия системы сбора данных при многоканальных измерениях необходимо обеспечить сбор данных со скоростью ~1000 измерений/с. Созданная в результате выполнения настоящего проекта высокоскоростная система сбора данных (ССД) позволяет осуществлять прямой доступ к управлению считывающим сигнал прибором и, таким образом, повысить скорость сбора данных, получаемых с детектора, на несколько порядков. Новизна предлагаемого решения заключается в том, что в программном обеспечении ССД обращение к прибору осуществляется на самом низком уровне на языке прибора (SCPI), минуя дополнительные программные оболочки, а также снижается число обращений к прибору за счет предварительного накопления данных в буфере обмена прибора. За счет этих решений достигается увеличение скорости сбора данных.
3. Наша работа является передовой в области разработки аналитических систем на базе нанопроволочных биосенсоров. Новизна решения защищена Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612969 «Програмное обеспечение ТУРБО НБС» (дата регистрации 27 февраля 2015). Работ, аналогичных выполненному проекту, в России не проводится. Основные усилия в этой области сосредоточены на разработке непосредственно нанопроволочных сенсоров и повышении их чувствительности. В ряде зарубежных и российских работ показана высокая чувствительность НП детекции для сенсоров, изготовленных как по технологии создания нанопроволочных структур – “bottom-up” [Patolsky F., et al., Nature Protocols, 2006, PMID: 17487154, IF 7,78] так и по технологии “top-down”, [Stern E., et al., Nature, 2007, PMID: 17268465, IF 39,7; Pui T.S., et al., Nanoscale, 2009, PMID: 20644875, IF 6,74]. Обе технологии имеют возможность производства массива НП-сенсоров, корпусированных в одном чипе. Таким образом, показана принципиальная возможность одновременной регистрации нескольких типов аналита [Zheng G.F., et al., Nature Biotech, 2005, doi:10.1038/nbt1138, IF 39,1; Ivanov Yu.D. et al., Lab Chip, 2012, doi: 10.1039/c2lc40555e, IF 6,115]. В США компанией Vista Therapeutics Inc. [www.vistatherapeutics.org] на основе технологии, разработанной C.M. Lieber et al., анонсирована коммерческая система (позиционирующаяся для использования только для исследовательских целей) на базе массива НП-структур для регистрации белков. В ИБМХ показана возможность многократной регистрации белков в сыворотке крови [Malsagova K. et al., Anal. Methods, 2015, DOI: 10.1039/c5ay01866h, IF 1,821]. В зарубежных работах для сбора данных с регистрирующих устройств используется стандартное ПО, включающее дополнительные программные оболочки на базе LabView [Stern E., et al., Nature, 2007, PMID: 17268465], что не позволяет осуществлять измерения в высокоскоростном режиме. В ПО ССД обращение к прибору осуществляется на низком уровне на языке прибора (SCPI), минуя дополнительные программные оболочки, а также снижается число обращений к прибору за счет предварительного накопления данных в буфере обмена регистрирующего устройства. Это позволяет осуществлять сбор данных в высокоскоростном режиме.
4. В ходе выполнения проекта решены следующие задачи по разработке:
1) ключевых принципов ПО ССД для нанопроволочного молекулярного детектора, позволяющего с максимальной возможной скоростью регистрировать данные измерений в реальном времени (не менее 1 измерения/мсек). В процессе разработки ПО ССД оптимизировано соотношение между скоростью измерений и шумом измерений (не менее чем в 2 раза). Для этого проведены исследовательские испытания ПО ССД при измерении сигнала от нанопроволочных сенсоров, корпусированных в одном чипе.
2) многоканального режима измерений, позволяющего на программном уровне регистрировать сигнал от нескольких приборов одновременно. ПО ССД предусматривает индивидуальную конфигурацию каждого измерительного и регистрирующего прибора.
3) алгоритмов опроса регистрирующих устройств с использованием возможностей архитектуры современных вычислительных систем, включая многоядерные и многопроцессорные конфигурации.
4) организации удаленного доступа к измерительной системе через компьютеры сети.
5) системы архивации данных на программном уровне, позволяющей хранить данных измерений от всех приборов в общей реляционной базе данных.
6) ”дружественного” пользовательского интерфейса для визуализации данных измерений и результатов обработки сигнала от нанопроволочного биосенсора.
7) шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в требуемых форматах.
8) встроенных в пользовательский интерфейс функций: статистического анализа данных, преобразования и аппроксимации данных.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть применены для управления нанопроволочными биосенсорами и сбора с них данных в протеомных исследованиях. Конечными пользователями высокочувствительных высокопроизводительных систем на основе нанопроволочных биосенсоров являются учреждения здравоохранения – больницы, диагностические центры и другие медицинские учреждения. Полученные результаты могут также быть применены в других системах, использующих высокоточные измерения сверхмалых токов, например, в датчиках сейсмической активности.
2. Перспективно использование ПО СCД к нанопроволочным биосенсорам для селективной регистрации целевых белков в исследуемых биологических образцах в области протеомных исследований, а также в качестве дополнительного метода экспресс-диагностики белковых маркеров соматических и инфекционных заболеваний. В настоящее время разработанная в рамках проекта система сбора данных проходит тестирование для ее использования в протеомных исследованиях и для разработки новых диагностических систем в ИБМХ.
3. Полученные в рамках проекта результаты могут быть использованы при создании новой технологической базы России, основанной на использовании нанотехнологических устройств. Создание и развитие нового производства кремниевых наноструктур, производства по модификации этих наноструктур биологическими зондами позволит развить нанотехнологическую материальную базу страны. Новые высокопроизводительные аналитические комплексы на базе нанопроволочных детекторов могут быть использованы для решения как фундаментальных задач в протеомике, так и прикладных задач в отечественном здравоохранении и специализированных биоаналитических центрах. Разработанное ПО может являться частью нанотехнологических аналитических систем с использованием измерения сверхмалых токов.
4. Проект выполнен в области разработки высокочувствительных систем для фундаментальных и прикладных исследований в России. Это позволит нашей стране занять ведущее место в мире в области разработок высокоэффективного нанотехнологического оборудования. Развитие проекта возможно в кооперации с ведущим нанотехнологическими центрами Китая, США (где ведутся разработки нанопроволочных детекторов) и Западной Европы (где такие работы пока находятся на начальном этапе становления). Разработанное ПО ориентировано на рядовых пользователей, в том числе студенов и медицинских работников, так какуправление прибором и обработка полученных данных просты и удобны. Простота и наглядность управления нанопроволочными детекторами и диагностическими комплексами есественным образом вписывается в концепцию эффективного обучения и подготовки молодых специалистов для работы в нанотехнологической области России.

Текущие результаты проекта:
1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
2 Проведены патентные исследования.
3 Проведены выбор и обоснование направления исследований.
4 Разработано программное обеспечение ССД.
5 Разработан дистрибутив ПО ССД.
6 Изготовлены дистрибутивы ПО ССД в количестве 5 шт.
7 Разработана программная документация на ПО ССД.
8 Коллекциия шаблонов для формирования отчетов, таблиц, диаграмм и графиков в требуемых форматах сформирована и зашита в ПО ССД.
9 Разработан проект инструкции по установке дистрибутива ПО ССД.
10 Разработан проект инструкции по применению высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
11 Разработана Программа и методики исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
12 Разработаны методики:
– установки и настройки используемых для работы программного обеспечения ССД вычислительной техники, операционной системы и пикоамперметров;
– эксплуатации программного обеспечения ССД в режиме многопользовательской централизованной системы;
– защиты от несанкционированного доступа к программному обеспечению ССД и данным высокоскоростной системы, хранящимся на персональном компьютере с применением стандартных средств безопасности операционной системы и системы управления базами данных (СУБД);
– статистического анализа и сравнения результатов измерений сигналов с нанопроволочного детектора производимых ССД.
13 Выполнен запуск и наладка высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
14 Проведены исследовательские испытания высокоскоростной системы сбора и обработки данных по разработанной программе и методикам испытаний.
15 Научно-техническая и программная документация скорректирована по результатам исследовательских испытаний высокоскоростной системы сбора и обработки данных.
16 Выполнена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.
17 Разработаны рекомендации по возможности использования полученных результатов в реальном секторе экономики.
18 Разработаны технические требования и предложения по эксплуатации программного обеспечения ССД с учетом технологических возможностей производителя нанопроволочного молекулярного детектора, в том числе:
–разработаны спецификации и технические параметры требуемого оборудования для проведения измерений с использованием программного обеспечения ССД;
–разработаны квалификационные требования к персоналу, осуществляющему эксплуатацию программного обеспечения ССД.
19 Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка системы сбора данных для нанопроволочного молекулярного детектора».
20 Готовится Заключительный отчет о ПНИЭР (декабрь 2015 г.).