Каждый из нас проходил обследования в клиниках и имеет представление о том, как много времени и сил они отнимают. Сдавать кучу анализов, литры крови, далее терпеть недельное ожидание, чтобы врачи успели в своих лабораториях проверить наши пробирки на наличие бактерий и вирусов. Однако, в скором времени все может в корне измениться, и обследования больше не будут пугать людей. Что поможет проводить диагностику всех заболеваний в разы быстрее?
Около двадцати лет назад была разработана технология биологических чипов . Данная разработка принадлежит Институту молекулярной биологии им. Энгельгардта. Можно сказать, что в течение всех этих двадцать лет разработка пылилась на полках и ей никто не занимался. Но сейчас ученые решили вновь возобновить работу над чипами и в ближайшем будущем собираются изготовить целую серию чипов. Главное преимущество технологии в сравнении с привычными для нас процедурами сдачи анализов – это оперативность.
Есть ряд заболеваний, на диагностирование которых даже у лучших врачей уходит несколько недель. Например, чтобы выявить возбудителя туберкулеза, понять, какие лекарства необходимо выписать пациенту, доктора могут потратить даже десять недель, а это огромный срок для больного организма. Все это время пациент лежит в больнице, принимает препараты, которые не дают стопроцентной гарантии того, что они помогут организму. Для одних больных эти препараты подходят, другим же они не приносят никакой пользы. В итоге человек может потратить масса денег на лечение и обслуживание в стационаре, при этом должного лечения он не получит. Лишь один пример говорит о том, насколько сейчас печальная ситуация в медицине.
Внедрение Биологических чипов
Биологические чипы – это возможность проведения анализа здоровья больного не более чем за 24 часа. Они станут не только прекрасной экономией времени и денег для пациента, но и помогут даже всей медицине в стране с экономить значительную часть бюджета. Внедрение данной технологии – это огромное вложение в медицинскую сферу и в экономию денежных средств страны. Есть даже официальные цифры, говорящие о том, что всего за год государство может разумно сэкономить 5 миллиардов рублей благодаря биочипам.
Экономия для пациента основана на том, что ему не придется тратиться на огромное количество анализов, чтобы проверить весь свой организм на наличие заболевание. Один из кандидатов химических наук заявил, что всего лишь благодаря одному анализу с использованием новой технологии пациент сможет проверить свой организм на наличие восьми маркеров онкологических заболеваний. Причем по сегодняшним данным чип способен с 90% вероятностью точно выявлять болезнь и диагностировать ее верным образом. Сейчас человеку нужно отдать около семи тысяч рублей, чтобы сдать анализы на все распространенные онкозаболевания. С чипом пациент потратил бы не более тысячи рублей. Взять тот же туберкулез – после внедрения технологии пациенту понадобится около пятисот рублей, чтобы пройти обследование на наличие данной заболевании. Отметим, что за рубежом стоимость одного чипа составляет около двух долларов.
Микробиологи провели свои исследования и заявили, что с помощью технологии действительно есть все шансы диагностировать огромное количество заболеваний за короткий период времени. Например, чип позволяет выявить многие виды лейкоза, ВИЧ, гепатит B и C, несколько видов гриппов, герпес и многие другие болезни. Анализы будут готовы уже через пару часов после проведения обследования. Если есть шансы возникновения эпидемии, использование биочипов сыграет важную роль в медицине за счет своей оперативности.
Менее чем за сутки у специалистов будет возможность оценить риски опасности, которые относятся к тем или иным вирусам. Они смогут определить также уровень пандемичности. И это уже доказано. Кандидат биологических наук Грядунов заявил, что многие в момент появления гриппа H1N1 ужасно его боялись, хотя, на самом деле, огромной опасности для человека он не представлял, поскольку его белковая оболочка была крайне уязвима. В случае с птичьим гриппом нет шансов возникновения эпидемии ввиду того, что от одного человеческого заболевания к другому он передаваться не может.
Светлая метка
Конструкция чипов не так сложна. Есть миниатюрная пластинка, на которую прикрепляют матрицу. В матрицу входят множество ячеек. Их размер не превышает ста микрон. Всего лишь на одном квадратном миллиметре матрицы может поместить несколько сотен ячеек. Их можно сравнить с маленькими пробирками.
Александр Чудинов, который лично участвует в разработке биологических микрочипов, заявил, что основа технологии – это особо свойство молекул ДНК. Это двойная спираль, которая строится с помощью 2-ух полимерных цепей. Принцип построения – комплементарный.
Ученым необходимо самостоятельно создавать одну цепь отрезка ДНК, можно заняться созданием и олигонуклеотида. Самое главное, учитывать правильную последовательность построения цепи. Та последовательность, которая образуется после мутации, выявляющей болезнь, является правильной. Данные отрезки ученым необходимо привязать к ячейке чипа. Далее матрицу необходимо поместить в специальный корпус, где она будет герметично защищена. Остается сделать работу лаборанту – провести грамотный анализ. В качестве образца может выступать ДНК вирус, взятый из крови или слюны. Возможно ли изучение ДНК конкретно больного? Конечно, если будет, например, генетическая предрасположенность к той или иной болезни, ее удастся выявить за несколько часов. Есть даже шансы диагностировать индивидуальную переносимость определенных болезней.
Работа лаборанта заключается в следующем. Полученный образ нужно отправить в пробирку, после в нее добавить еще несколько ферментов и нуклеотиды (ряд нуклеотидов помечают флуоресцентным веществом).
В итоге начинается реакция синтеза. Это приводит к значительному увеличению количества ДНК отрезков. И что самое главное, у каждого отрезка будет флуоресцентный маркер. Теперь «готовую» пробу заливают в чип. В случае наличия последовательностей, в которых есть мутации, образуется их связь с отрезками. У этих отрезков до этого момента были изменены последовательности. В результате последовательности окрашивают нужную ячейку маркером.
На этом работа не заканчивается, ведь нужно еще позаботиться об обработке чипа определенным растворам. После этой процедуры его отправляют в специальное считывающее устройство. Его называют флуоресцентным анализатором, работающим с помощью компьютера. Теперь к работе приступает программа. Она проводит анализ картины светящихся ячеек, благодаря чему появляется информация конкретно о тех отрезках ДНК, которые получили изменения. В итоге у специалиста есть данные касаемо того, какие гены изменились, какие заболевания у пациента есть, что за бактерии и вирус поражают его организм.
Формат ячеек – трехмерный. И это на руку ученым, поскольку есть возможность использования огромного количества отрезков ДНК. Чем больше отрезков, тем выше процент точности результатов анализа. Сегодня есть даже специальные 3D-ячейки, в которые можно отправить молекулы и быть уверенными, что они потеряют свои биологические свойства. Для этого был создан гидрогель, который способен сохранять свойства. Гидрогель можно сравнить с средой, в которой обитают молекулы в биологических структурах, различий очень мало. Благодаря таким разработкам биочипы могут работать в течение 12 месяцев . В плане транспортировки их не возникает никаких вопросов – условия особо критичные технологии не требуются.
Как сейчас обстоят дела с технологией?
Пока биочипов в клиниках не встретишь, поскольку работа только на этапе клинических испытаний. Диагнозам чипов слепо не доверяют – их сверяют с привычными для нас методами выявления болезней. Тем не менее, все микробиологи уверены, что за биочипами стоит будущее, нужно лишь уделить достаточно внимания этой технологии.
Отметим, что в 2016 году многие исследования были направлены в сторону борьбы с болезней Альцгеймера. Также активно изучалась шизофрения, алкоголизм. Было уделено внимание и разработке диагностического теста-системы, основа которой заключается именно в использовании биочипов , способных выявить предрасположенность к вышеперечисленным болезням.
Нельзя сказать, что чипы – это разработка, которую кроме как в здравоохранении нигде больше нельзя будет применять. Даже правоохранительные органы проявили интерес к биочипам. Специально для этой области были разработаны специальные чипы, справляющиеся с идентификацией двадцати трех маркеров. Это большое количество, поскольку его достаточно для определения десятков тысяч различных вариантов генома человека. Грубо говоря, чип будет давать информацию высокой точности касаемо того, способен ли человек совершить то или иное преступление. Для теста понадобятся исключительно биологические образцы, в роли которых может выступать слюна, волос и т.д.
Естественно, пока следственные действия не проводятся с использованием чипа, поскольку пока не доказано, насколько точную и правдивую информацию он дает. Но ученые заявляют, что использование данной технологии крайне благоприятно скажется на развитии области правоохранительных органов. Что можно сказать в итоге? До эпохи, которая раньше казалось фантастической в молекулярной биологии, осталось совсем недолго.
Биологический микрочип, биочип (biochip, греч. bio(s) - жизнь и logos - понятие, учение; греч. mikros - маленький и англ. chip - осколок) - пластинка-носитель, на которой в определенном порядке расположены многочисленные ячейки (до несколько десятков тыс.) с различными иммобилизованными в них одноцепочечными олигонуклеотидами или олигопептидами, каждый из которых способен избирательно связывать определенное вещество, содержащееся в сложной смеси в анализируемом растворе. Биочип используется для молекулярно-генетических исследований, диагностики различных заболеваний человека, экспресс-диагностики высокопатогенных вирусов, а также в ветеринарии, сельском хозяйстве, криминалистике, токсикологии, охране окружающей среды. Первая работа по биочипам в современном формате (с фрагментами ДНК) была опубликована А. Д. Мирзабековым с сотр. в 1989 г.
Биологические микрочипы (biochips), или, как их чаще называют, DNA microarrays, - это один из новейших инструментов биологии и медицины XXI в. В настоящее время они активно производятся несколькими биотехнологическими фирмами. Биочипную технику можно с успехом применять как для исследовательских целей, так и для диагностики в медицинских учреждениях.
С помощью микрочипов можно проводить одновременный анализ работы тысяч и десятков тысяч генов, сравнивать их экспрессию. Такие исследования помогают создавать новые лекарственные препараты, выяснять, на какие гены и каким образом эти новые лекарства действуют. Биочипы являются также незаменимым инструментом для биологических исследований, за один эксперимент можно увидеть влияние различных факторов (лекарств, белков, питания) на работу десятков тысяч генов.
Биочипы позволяют очень быстро определять наличие вирусных и бактериальных возбудителей. Важное медицинское применение биочипов - это диагностика лейкозов и других вирусных заболеваний. Биочипы позволяют быстро, за считанные дни или даже часы различать внешне неразличимые виды лейкозов. Биочипы применяются для диагностики различных видов раковых опухолей .
Прообразом современных "живых чипов" послужил саузерн-блоттинг , изготовленный в 1975г. Эдом Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности среди фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать биочипы в конце 1980-х годов в Институте молекулярной биологии РАН под руководством А.Д.Мирзабекова.
Точнее всего биочипы описывает английское название DNA-microarrays, т.е. это организованное размещение молекул ДНК на специальном носителе. Профессионалы называют этот носитель платформой. Платформа - это чаще всего пластинка из стекла (иногда используют и другие материалы, например кремний), на которую наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.
В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94%), т.е. матрицы, несущие молекулы ДНК. Оставшиеся 6% составляют белковые чипы.
Организованное размещение макромолекул занимает на платформе очень небольшой участок размером от почтовой марки до визитной карточки. Микроскопический размер биочипа позволяет размещать на небольшой площади огромное количество разных молекул ДНК и считывать с этой площади информацию с помощью флюоресцентного микроскопа или специального лазерного устройства для чтения ( рис. 2.50).
Характерные размеры ячеек современных микрочипов лежат в пределах 50-200 мкм, общее число ячеек на чипе составляет 1000-100000, а линейные размеры чипа - порядка 1 см. В поверхностных матричных биочипах ДНК иммобилизуется на поверхности мембран или пластинок из стекла, пластика, полупроводника или металла. В гелевых биочипах ДНК иммобилизуется в слое полиакриламидного геля толщиной 10-20 мкм, нанесенного на специально обработанную поверхность стекла. Также чипы могут наращиваться прямо из стеклянной пластинки методом фотолитографии с использованием специальных микромасок. Иммобилизуемая ДНК наносится на поверхность или через игольчатые растры (пины) механического робота, или с помощью технологии струйного принтера. Контроль качества нанесения осуществляется с помощью специализированной оптики и компьютерного анализа изображения. На биочипе в дальнейшем гибридизуют молекулы ДНК, меченные красителем.
Гибридизуемая ДНК в растворе метится с помощью флюоресцентной или радиоактивной метки. В случае смеси молекул ДНК (например, ДНК дикого типа и ДНК с мутациями) каждая метится своим флюоресцентным красителем. Свойства красителя не должны сильно зависеть от состава (A/Т или G/C) ДНК и температуры. Интенсивность флюоресценции в ячейках измеряют с помощью сканера или люминесцентного микроскопа, передающего сигнал на прибор с зарядовой связью. Однако флюоресценция является основным, но не единственным методом изучения гибридизации. В частности, данные о характере гибридизации можно получить также с помощью масс-спектрометрии, атомной силовой микроскопии и др.
В основе принципа работы всех типов биочипов с иммобилизованной ДНК лежит точное соответствие между комплементарными ДНК по правилу Уотсона-Крика: A-Т, G-С. Если соответствие между нуклеотидами иммобилизованной и гибридизуемой ДНК точно удовлетворяет условиям комплементарности, то образующиеся дуплексы будут термодинамически наиболее устойчивы. В результате при конечных температурах их будет больше, чем несовершенных дуплексов с нарушением условий комплементарности, и, соответственно, совершенным дуплексам будет отвечать более сильный сигнал флюоресценции. В выявлении и сопоставлении наиболее ярко светящихся ячеек и заключается работа прибора - анализатора биочипов.
Гибридизуемая ДНК обычно заранее нарабатывается в достаточных количествах с помощью ПЦР. В более продвинутых технологиях ПЦР осуществляется непосредственно на чипе. Кроме того, непосредственно на чипе можно осуществлять фрагментацию, фосфорилирование, лигирование ДНК или мини-секвенирование, при котором длина дуплекса увеличивается на одну пару оснований. Последнюю технику можно эффективно использовать для поиска мутаций.
На Западе и в России сейчас сформировалось два разных направления и два разных стандарта по созданию и применению биочипов. Российские биочипы дешевле, а западные - объемнее. При этом в России биочипами занимаются пока преимущественно исследовательские лаборатории, а на Западе - это, в первую очередь, военные исследования и коммерческое производство чипов для диагностики.
Биочип – это организованное размещение молекул ДНК или белка на специальном носителе – «платформе».
Платформа представляет из себя пластинку площадью всего 1 см2 или чуть больше. Она сделана из стекла или пластика, либо из кремния. На ней в строго определенном порядке может быть размещено множество молекул ДНК или белка. Отсюда и присутствие в термине слова – «микро».
На биочипе можно проводить анализ молекул различных веществ. Для этого на нем закрепляют «узнающие» молекулы. Каждую из таких молекул обозначают термином – «молекула-зонд», а каждую из исследуемых молекул –
«молекула-проба».
Молекула-зонд на биочипе определяется самим исследователем, т.е. он планирует, какую молекулу нужно искать среди молекул в исследуемом материале – в жидкости и т.д. Если на микрочипе исследуется ДНК – это ДНК-чип, если молекула белка – белковый чип.
Как фиксируются молекулы-зонды на биочипе?
Во многих странах молекулы-зонды прикрепляют прямо к стеклянной пластинке, т.е. к подложке при помощи лазеров. В нашей стране молекулы-зонды размещаются в ячейки из геля, диаметром менее 100 микрон каждая, ячейки фиксированы к пластинке в процессе изготовления микрочипа. Количество ячеек на чипе достигает уже несколько тысяч.
В ячейках молекулы-зонды химически привязаны и находятся в функционально активном состоянии.
Так как ячейки заполнены гелем трехмерной структуры, то они удерживают большее количество молекул-зондов, нежели чипы, в которых молекулы- зонды просто прикреплены к пластинке. Важно и то, что химическая реакция между молекулой-зондом и вносимой в ячейку из геля молекулы-пробы, протекает как и в жидкостях, а значит, как и в живом организме.
Изучение генома и протеома каждого типа клетки в норме и при любой болезни позволит выяснить – какой ген или гены вызывают ту или иную болезнь.
На ДНК-чипе выясняется причина возникновения болезни: дефекты в структуре гена или генов, или изменения активности гена при нормальной его структуре.
На белковом чипе определяются последствия «поломок» в гене по изменениям его продукта – белков в клетке. Изменения в гене клетки или белке – это их метка или маркер (от англ. mark – знак, метка).
Отсюда: ген с меткой – это ген-маркер, а белок с меткой – это белок- маркер. Эти маркеры позволяют обнаруживать у пациента дефектную или больную клетку, характерную для конкретной болезни, в том числе и раковую стволовую клетку. При диагностике болезни ген-маркер и белок-маркер для контроля сравнивают с нормальным геном клетки и его продуктом – белками.
Ясно, что на ДНК-чипе молекулой-зондом является ген-маркер, а для контроля в отдельной ячейке – нормальный ген, в белковом микрочипе в качестве молекулы-зонда может быть или антитело, или антиген.
Способы изготовления биочипов
1. Молекулы ДНК или белка предварительно синтезируют, а затем размещают на матрице. Недостаток этого метода: невысокая плотность молекулы- зонда на матрице – до 1000 молекул и трудоемкий процесс их синтеза.
Копии гена-маркера можно получить ПЦР-ММК методом, такого метода для копий белка-маркера нет. Его копии можно создавать встраиванием иРНК гена белка-маркера в бактерию: E. coli или в клетки дрожжей.
2. Для ДНК-чипов синтез олигонуклеотидов производят непосредственно на матрице. Такие чипы обладают гораздо большей плотностью молекул-зондов.
3. Нанесение олигонуклеотидов в строго определенное место матрицы струйным принтером.
В нашей стране биочипы – ДНК-чип и белковый чип готовят по первому способу.
Биочип – новейшее устройство для медицины XXI века. По молекулам-маркерам он позволяет:
1) диагностировать любую болезнь: до ее начала или в самом ее начале;
2) находить в организме тот или иной вирус, бактерии и раковые клетки;
3) белковым чипом можно находить лекарства среди низкомолекулярных соединений в целом ряде анализируемых материалов;
4) решение этих задач на биочипах можно сделать за считанные часы, а не дни и т.д.
Принцип действия биочипов и этапы анализа
1. ДНК-чип.
Мы знаем, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Основа каждой цепи – это последовательность из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Г) и цитозин (Ц).
При этом последовательность оснований одной цепи определяет последовательность оснований в другой: А-Т и Г-Ц. Когда между этими комплементарными основаниями спонтанно образуются водородные связи, две цепи соединяются, т.е. гибридизуются в двойную спираль и удерживают цепи вместе. Именно на способности комплементарных оснований связываться друг с другом: А с Т, а Г с Ц основан принцип действия ДНК-чипа.
Этапы анализа с помощью ДНК-чипа
1. В ячейках чипа фиксированы копии известного гена-маркера в виде одной цепи этого гена, т.е. его «половинки» – кДНК.
2. Из плазмы крови от пациента выделяется копия гена-маркера, т.е. иРНК.
3. На молекуле иРНК с помощью фермента обратной транскриптазы синтезируют другую цепь гена-маркера, т.е. вторую его «половинку» – кДНК. ПЦР-ММК размножают эту кДНК – это молекулы-пробы, и их метят флуоресцентным красителем.
4. Роботом помещают молекулы-пробы в определенные ячейки на чипе с копией генов-маркеров раковой стволовой клетки.
Если кДНК генов из образца плазмы комплементарна с кДНК в соответствующих ячейках, то между ними произойдет гибридизация, и такие ячейки начнут светиться. Чип сканируют лазером, следя за интенсивностью сигнала флуоресценции в каждой ячейке. То есть гены-маркеры в плазме есть, а значит, в организме пациента есть раковые стволовые клетки.
Если нет гибридизации между этими молекулами, значит, нет гена-маркера раковой стволовой клетки в этом образце плазмы.
Когда имеется ген с мутацией, тогда будет гибридизация его кДНК на чипе с кДНК молекулы-зонда, имеющей эту мутацию. Если это ген-супрессор wt53, то это также может указывать на наличие в организме пациента раковой стволовой клетки или клеток.
Раковая клетка возникает из стволовой клетки ткани из-за включения в ней генов фетальных белков. Поэтому в молекулах-пробах плазмы пациента будут кДНК этих генов и отсутствие их в контроле.
Чем меньше в образце плазмы от пациента титр эпимутантных и мутантных генов-маркеров, тем меньше раковых клеток в его организме.
Выявление раковых клеток в образце плазмы крови или других биологических жидкостей от пациента – моча, слюна, слезная жидкость и др. по генам- маркерам, дает возможность поставить диагноз рака, а по генам-маркерам свойства инвазии раковой клетки – микрометастазы рака. И это задолго до обнаружения их стандартными методами – УЗИ, рентгенография, компьютерная томография и др.
Биочипом по генам-маркерам можно выявлять угрозу болезни. Так, если обнаружены гены-маркеры, но еще нет их продуктов – белков в клетке, то это выявление предболезни. По отношению к раку – это предраковые клетки. Так как в этом случае биочип позволяет выявить только вероятность болезни, то такой чип пока не подвергается сертификации.
Плазма крови пациента – это главный резервуар, куда проникают гены- маркеры из погибающих дефектных или больных клеток при конкретной болезни из различных органов, в том числе из раковых клеток. Такие клетки в организме могут погибать за счет некроза и апоптоза, а их гены через межклеточную жидкость затем проникают в кровь.
Низкий титр генов-маркеров в плазме крови пациента по анализу на ДНК- чипе и отсутствии их продукта – белков, может означать предболезнь, а при наличии их – болезнь. В таком же смысле это касается и рака. Это могло бы означать раннюю диагностику рака – II ее уровень.
2. Белковый чип.
Строение чипа для анализа белков то же, что и у ДНК-чипов. Лишь те чипы, на которых проходит ферментативная реакция, имеют более редкое расположение ячеек, а те, на которых идет ДНК-реакция, – более частое.
Белки-маркеры – это продукт «поломок» гена или генов, они превращают нормальную клетку в дефектную или больную клетку при конкретной болезни. Эти белки появляются на поверхности клеток и являются белками-антигенами и для каждой болезни они свои.
На раковой стволовой клетке появляются фетальные белки и белки- рецепторы, которых нет на нормальной стволовой клетке. Являются ли они белками-антигенами – вопрос не решен.
В белковом чипе в качестве молекулы-зонда, т.е. белка-маркера дефектной или больной клетки может быть белок-антиген, тогда в сыворотке от пациента определяют антитела к нему. Если молекулой-зондом берется антитело, то в сыворотке крови от пациента ищут белок-антиген.
В связи с расшифровкой генома человека требуется анализ функций огромного количества белков в клетках разного типа, в том числе ранее неизвестных. Тысячи белков могут быть фиксированы в разных ячейках микрочипа и одновременно анализированы на способность: связывать известный лиганд, катализировать ту или иную ферментативную реакцию, взаимодействовать с антителами, низкомолекулярными соединениями и др.
В раковой клетке важно изучать кроме белков-маркеров, белков- рецепторов и антител к ним, белки свойства инвазии, фактор роста эндотелия сосудов-1 и белок-рецептор к нему на поверхности гемопоэтической клетки и др.
Принцип действия белкового чипа
Он также основан на комплементарности участвующих молекул, но белковых.
1. Антиген со своим антителом. Антиген – это любое вещество, в состав которого обычно входит какой-то белок, способный вызывать иммунную реакцию.
Антитело – это молекула белка, секретируемая одной из клеток иммунной системы. Форма этой молекулы и распределение электрического заряда по ее поверхности делают ее способной связывать антиген, комплементарный ей по форме и распределению заряда.
Впервые еще в 1942 г. нобелевский лауреат Л. Полинг и его коллеги выдвинули верный постулат, что трехмерная структура антигена и его антитела
Комплементарны и, таким образом, «несут ответственность» за образование комплекса – антиген–антитело.
2. Субстрат со своим ферментом. На основе гипотезы топохимического соответствия специфичность действия фермента связана с узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают точечные контакты и водородные связи.
3. Белок с низкомолекулярным соединением. Для ингибирования белка необходима связь между ними – комплементарной поверхности соединения с активными участками молекулы белка,
4. Фермент с низкомолекулярным соединением. Ферменты и другие белки создают все свойства раковой клетки, поэтому они являются основными мишенями для лекарств. Для блокады фермента низкомолекулярным соединением также необходима между ними комплементарность: поверхность молекулы соединения при этом должна быть копией поверхности участка субстрата, которая не изменяется при катализе.
Этапы анализа с помощью белкового чипа
1. В ячейках чипа фиксирован известный белок-антитело к белку, который создает дефектную или больную клетку конкретной болезни. Искомый белок – это белок-маркер.
2. Из сыворотки крови от пациента берется образец сыворотки для анализа. В образец добавляют флуоресцентный краситель – каждая молекула белка- маркера получает это вещество.
3. С помощью робота капли сыворотки из образца помещают в определенные ячейки чипа. Молекулы-зонды ищут комплементарные им молекулы среди молекул-проб. Если есть такая молекула, то она связывается с молекулой-зондом в ячейке чипа; между ними происходит химическая реакция, и она начинает светиться.
4. Ячейки, в которых появилось яркое свечение, укажут на присутствие искомого белка белка-маркера. Так как этот белок-маркер из дефектной или больной клетки при конкретной болезни, это укажет на начало у пациента этой болезни. Точно также выявляют присутствие в организме пациента раковой клетки(-ок) по их белкам-маркерам.
Если в ячейках чипа фиксирован белок-антиген, тогда в сыворотке крови пациента ищут антитела к белку-маркеру. Если в сыворотке окажутся антитела к белку-маркеру, это будет указывать на наличие в организме пациента раковых клеток, т.е. пациент болен. А по белкам-маркерам свойства инвазии раковой клетки, например, по наличию белка Mts1 и других, можно регистрировать гдето в организме у пациента микрометастазы раковых клеток.
Мы уже знаем, что белки, которые образуются в раковых клетках, но отсутствуют в нормальных, это белки-маркеры или антигены. Наличие таких белков – признак того, что ген, вызывающий перерождение нормальной клетки в раковую, начал свою разрушительную работу. Выявление раковой клетки(-ок) по белкам-маркерам позволяет поставить диагноз рака или его микрометастазов задолго до выявления его симптомов у пациента. Титр белка-маркера в сыворотке крови пациента определяет количество раковых клеток в его организме. Низкий титр белков-маркеров из раковых клеток в сыворотке крови, а также в других жидкостях пациента – признак малого количества раковых клеток в организме пациента. Это могло бы стать ранней диагностикой рака – II ее уровень.
Итак, в XXI веке по мере выявления генов-маркеров и белков-маркеров, вызывающих конкретную болезнь, диагностика ее, в том числе и рака, станет ранней, т.е. на двух уровнях: 1) «до начала» – по генам-маркерам и 2) «в самом начале» – по белкам-маркерам.
Гены-маркеры и белки-маркеры в дефектной или больной клетке – это цели или мишени для новых лекарств. На их основе будут создаваться лекарства и другие средства, в том числе – вакцины. За счет комплементарности к молекулам-мишеням, лекарства будут действовать избирательно, не повреждая нормальные клетки.
Врач, действуя на гены-маркеры болезни, сможет ее предотвратить, а воздействиями на белки-маркеры клеток ее можно будет излечить в самом «зародыше».
Этими двумя путями врач получит, так сказать, полную власть над любой болезнью на клеточном уровне.
Поиск генов-маркеров и белков-маркеров в различных средах организма пациента быстро и точно можно выполнять на биочипах, а гены-маркеры, кроме этого, можно выявлять с помощью точнейших методов: ПЦР-ММК и МС- ПЦР. Это будет означать революцию в медицине.
Ученые выявят гены-маркеры и белки-маркеры, вызывающие конкретную болезнь, в том числе и возникновение раковой клетки. Тогда станет возможным разработать для ранней диагностики любой болезни минимум наборов: генов-маркеров и белков-маркеров. Они будут дополняться и уточняться по мере получения новых знаний. Это будет генный и белковый «профили» болезни, и которые будут перенесены на биочипы.
Тестирование человека на маркеры определенной болезни с помощью ДНК-чипа и белкового чипа имеет несколько преимуществ.
Отрицательный результат – принесет человеку радость и может избавить его от обследования стандартными методами: ультразвуковое исследование, рентгенография и др.
Положительный результат – даст человеку возможность, а также время на то, чтобы принять меры для снижения риска возникновения болезни, или при ее начале – начать соответствующее лечение.
Особое значение имеет ранняя диагностика рака. Это связано с тем, что, во-первых, причина рака – раковая клетка, а она из клетки своего организма- хозяина и, во-вторых, вплоть до недавнего времени не было известно абсолютных отличий раковой клетки от нормальной клетки.
До сих пор считается, что для каждого типа раковой клетки характерны «свои» гены и белки. Но геном в клетке каждого типа – один и тот же. Если принять, что из каждого типа клетки раковая клетка – «своя», тогда почему свойства раковой клетки любого типа – одинаковые?
Тип клетки создается репрессией одних генов – из-за метилирования и экспрессией других генов – за счет деметилирования их промотора.
Теперь также доказано, что клетка любого типа становится раковой за счет дерепрессии в ней генов фетальных белков. То есть формирование типа клетки и возникновение раковой клетки из нормальной клетки – это независимые друг от друга процессы. Из этих двух фактов можно допустить, что общие гены-маркеры и их продукт – белки для любого типа раковой стволовой клетки должны быть.
Общими генами и их продуктами – белками могут стать: ген и его фермент – теломераза, ген и белок под кодовым обозначением «5Т4», ген oct-4 и белок Oct-4, ген Nanog и белок, ген mts 1 и белок Mts 1, ген остеопонтин и белок и др.
Если это подтвердится, то это станет настоящим прорывом в решении многих, если не всех, проблем рака:
Ранняя и точная диагностика раковой стволовой клетки любого типа на основе общего гена-маркера и его продукта – белка-маркера;
Универсальные лекарства и средства, в том числе вакцина, против рако-стволовой клетки и ее метастазов.
СПИД, туберкулез, лейкоз, гепатиты В и С, оспа, сибирская язва, чума, онкологические заболевания, холера, дифтерия, столбняк, стафилококковые инфекции – в борьбе с этими заболеваниями способен помочь универсальный инструмент диагностики – , созданный российскими учеными.
Каков диагноз, таково лечение. Эта истина очевидна даже дилетантам. Если бы медики имели возможность проводить индивидуальный анализ множества генов, внутриклеточных белков клетки и клеточных секреций каждого пациента, результаты оказались бы чрезвычайно информативными и эффективными. Однако такой многопараметрический анализ – задача сложная и очень дорогая. Поэтому для исследовательских групп и клиник так необходима доступная молекулярная диагностика, основанная на принципиально новом подходе, обеспечивающем быстрое и достоверное выяснение причин широкого круга заболеваний.
Этим запросам соответствует технология биологических микрочипов (биочипов), разработанная в Институте молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН (ИМБ) под руководством академика Андрея Мирзабекова (1937-2003).
Биочипы, подобно электронным микрочипам, обрабатывающим массивы цифровой информации, предназначены для молекулярного считывания и обработки больших объемов биологической информации при проведении многопараметрического анализа микрообразца биологического материала.
Основой биочипов является матрица из множества полусферических гидрогелевых ячеек (диаметром около 100 микрон), каждая из которых содержит молекулярные зонды, специфичные к одной из множества биологических молекул или их фрагментов (например, к последовательностям ДНК или РНК, белкам). На одном квадратном сантиметре может быть размещено до тысячи ячеек биочипа, предназначенных для разных целей: для выявления мутаций, связанных с предрасположенностью к различным наследственным и онкологическим заболеваниям; для обнаружения бактерий и вирусов; идентификации мутаций микроорганизмов, ведущих к появлению лекарственно-устойчивых форм инфекционных заболеваний.
Для проведения анализа образец крови пациента или другой исследуемой жидкости проходит предварительную обработку, в ходе которой находящиеся в нем молекулы метятся флуоресцирующим красителем (светящимся при облучении светом определенной длины волны). Затем образец наносится на биочип, помещенный в специальную микрокамеру. Каждый тип молекул образца взаимодействует со специфичными к ним зондами, локализованными в индивидуальных ячейках микрочипа, что может быть зарегистрировано по интенсивности свечения соответствующей ячейки биочипа. По картине свечения множества ячеек биочипа специальный прибор-анализатор определяет количественно наличие характеристических последовательностей ДНК, РНК или набора белков в исследуемом образце. В ИМБ были разработаны анализаторы для научных исследований, способные анализировать биочипы содержащие тысячи ячеек, и портативные клинические анализаторы для рутинных медицинских применений, позволяющие анализировать биочипы с одной-двумя сотнями ячеек.
На сегодняшний день в ИМБ созданы диагностические варианты биочипов, позволяющие выявлять вирусы многих опасных болезней. При диагностике туберкулеза с одновременным выявлением его лекарственно-устойчивых форм, время анализа сокращается с 2-х месяцев до 1 дня. Это позволяет оперативно назначать резервные терапевтические средства тем больным, у которых обнаруживаются формы туберкулеза, устойчивые к обычно применяемым лекарствам (более 10% случаев). Как показали результаты анализа более 3000 пациентов, надежность метода превышает 90%. Впервые в мире метод быстрой идентификации лекарственно-устойчивых форм туберкулеза, основанный на оригинальной отечественной технологии биочипов, был сертифицирован для медицинского применения (МЗиСР РФ). Эта методика уже используется в 8-ми региональных медицинских центрах России, а также в нескольких научно-исследовательских Институтах, занимающихся проблемами идентификации возбудителей инфекционных заболеваний.
Созданы варианты биочипов, обнаруживающих и типирующих продукты хромосомных перестроек, приводящих к лейкозу, идентифицирущих вирусы СПИДа, гепатитов В и С. Разрабатываются биочипы для обнаружения стафилококкового, холерного, дифтерийного, столбнячного и сибиреязвенного токсинов, а также возбудителей сибирской язвы и чумы, которые могут быть использованы при биотерроризме. Созданы биочипы для определения видовой принадлежности вирусов оспы и их дискриминации от возбудителей других заболеваний, сходных по первоначальным клиническим проявлениям (герпес, ветряная оспа). Разработаны биочипы для выявления предрасположенности пациентов к некоторым онкологическим заболеваниям, определения индивидуальной чувствительности к лекарственным препаратам, используемым в противоопухолевой терапии.
Новый универсальный инструмент диагностики уже востребован в медицинских учреждениях страны. Основной потребитель на сегодняшний день - Министерство здравоохранения России. Оно выступает заказчиком биочипов, предназначенных для быстрой диагностики различных форм туберкулеза. Неудивительно, что врачи в первую очередь обратили внимание на технологию, позволяющую более эффективно бороться с этим опасным заболеванием. В настоящее время наличие туберкулеза обнаруживается с помощью рентгеновского обследования, после чего больного начинают лечить лекарствами «первого ряда» - стандартным набором, применяемым, как правило, для всех больных туберкулезом. Параллельно проводят бактериологический анализ устойчивости возбудителя туберкулеза у данного больного к применяемым лекарствам. Этот анализ занимает около 3-х месяцев, после чего выясняется, что примерно у 10-ти процентов больных – лекарственно устойчивая форма туберкулеза, с необходимостью перехода на лечение препаратами «резервного ряда». Последствия – ослабленное ошибочной терапией здоровье больного, бессмысленный расход средств на лекарства и на содержание больного в больнице, распространение лекарственно устойчивых форм туберкулеза вследствие контакта пациентов с разными формами этого заболевания. Очевидно, что самая главная проблема в излечении туберкулеза сегодня – как можно скорее определить, какая именно форма болезни развивается у больного. Технология биологических микрочипов позволяет сделать этот анализ за один день.
Продвижением новой технологии на рынок медицинских услуг занимается принадлежащая Институту молекулярной биологии компания "БИОЧИП-ИМБ", которая заключила контракт с Министерством здравоохранения РФ на поставку биочипов в сеть туберкулезных клиник страны. Согласно пилотному проекту, компания "БИОЧИП-ИМБ" уже внедрила технологию в восьми медицинских центрах страны, расположенных в Москве, Екатеринбурге, Новосибирске, Казани, Петербурге и Саратове.
Как видим, поле использования биологических микрочипов огромно, и создатели уникального диагностического инструмента постоянно расширяют сферы его применения. Коллектив Лаборатории Института создает биочипы для типирования вируса гриппа, идентификации и опознания личности, а также для исследования специфичности ДНК-белковых взаимодействий.
(По материалам беседы с зав. лаб. биологических микрочипов проф. А.Заседателевым и д.б.н. В.Е.Барским).
Елена Укусова, Центр "Открытая экономика"
