Выполнила студентка группы БМИ-107 Бубякина О.В.

Диагностические биочипы

Введение

Биологические микрочипы являются одним из наиболее быстро развивающихся экспериментальных направлений современной биологии. Существует два основных типа биочипов. Первый тип- это микроматрицы различных соединений, главным образом биополимеров, иммобилизованных на поверхности стекла, в микрокаплях геля, в микрокапиллярах. Другим типом биочипов являются миниатюризованные "микролаборатории". Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды, друг с другом и низкомолекулярными лигандами. Удается в достаточно простых параллельных экспериментах собрать и обработать на отдельных элементах биочипа огромное количество биологической информации. В этом заключается фундаментальное информационное сходство биочипов с электронными микрочипами. Однако между ними имеется и ряд принципиальных различий.

Что такое биочип?

Биологические микрочипы — это совокупность ячеек, расположенных на поверхности стекла или пластика, своего рода миниатюрный аналог сразу нескольких сотен, а то и тысяч реакционных пробирок.

Технологии изготовления чипов могут быть разными.

ИСТОРИЯ
"РУССКОГО БИОЧИПА"

Не верилось, что миниатюрное устройство, закрепленное на предметном стекле (таком, на которое обычно помещают препарат для рассмотрения под микроскопом), может заменить собой целую диагностическую лабораторию. Но это действительно так!. Подобно электронным чипам, биочипы обрабатывают большой массив информации методом параллельного анализа. Проще говоря, в одно и то же время на одном чипе проходит множество - до нескольких сотен - всевозможных анализов. Еще более удивительна история происхождения биочипа, который продукт сугубо отечественный, не случайно за рубежом его до сих пор называют "русский биочип". Началось же все в конце 80-х годов прошлого века, когда команда ученых из Института молекулярной биологии РАН (ИМБ) под руководством академика Андрея Мирзабекова, в 2003 году, взялась за изготовление универсального миниатюрного анализатора. Идея, конечно, уже витала в воздухе. Но только специалистам удалось воплотить эту идею в жизнь.

Как рассказывал Андрей Мирзабеков, в то время весь мир был увлечен процессом расшифровки генома человека, и они с коллегами предложили использовать для этих целей биочипы. Но очень скоро поняли, что новые устройства могут пригодиться для решения самых разных практических задач, поэтому поспешили сделать следующий шаг - разработать технологию. И преуспели в этом! Биочипы начали свое победное шествие по миру. В середине 90-х, когда финансирование российской науки практически полностью прекратилось, академика Мирзабекова пригласили в Аргонскую национальную лабораторию США. Он заявил, что будет работать в Чикаго, только если там создадут совместную исследовательскую группу, в которую войдут как американские, так и российские специалисты. Именно так российским молекулярным биологам удалось пережить "веселые 90-е", самые тяжелые для отечественной науки. За время работы в США они получили больше 10 патентов. На заработанные деньги закупили оборудование и создали комплексную лабораторию в ИМБ.

"Русский биочип", как его называли за рубежом, получил признание. Право на использование технологии купили компании Motorola и НР, а затем зарегистрировали свой патент на модифицированную технологию. В ответ на это ученые из ИМБ разработали и запатентовали более совершенную технологию.

АТАКА НА ТУБЕРКУЛЕЗ

Первым объектом для апробации нового метода стал туберкулез. Ежегодно в мире им заражаются около 30 млн человек, порядка 2 млн от него умирают. Особенно тяжелая ситуация по туберкулезу сложилась в России, где в 90-е годы из-за многочисленных социальных проблем возбудители туберкулеза - микобактерии, или, как их еще называют, палочки Коха, мутировали, став невосприимчивыми к традиционным препаратам. На сегодняшний день известно около 40 мутантных штаммов. При традиционном подходе после выявления у пациента туберкулеза рентгенологическими методами его лечат препаратами так называемого первого ряда, к которым относятся рифампицин и изониазид. Параллельно проводят микробиологическое исследование возбудителя, чтобы установить его чувствительность к этим лекарствам. Это занимает от двух до трех месяцев. А когда выясняется, что эти лекарства на данную форму микобактерии не действуют, больной уже в течение нескольких месяцев принимал ненужные и, более того, вредные препараты, успев передать лекарственно-устойчивую форму туберкулеза всем, с кем контактировал. Конечно, в запасе у медиков остаются препараты "второго ряда", но и с ними может произойти та же история. Поэтому быстрая и точная диагностика туберкулеза очень и очень важна. Если использовать биочипы, диагноз можно поставить менее чем за сутки. Из пробы больного выделяют ДНК и проводят полимеразно-цепную реакцию (ПЦР), чтобы многократно размножить участок ДНК, на котором могут встречаться мутировавшие гены устойчивости к антибиотикам. Последующий анализ на биочипе поможет определить, каким именно из десятков мутантных штаммов туберкулеза заражен пациент. Но эти волшебные биочипы надо было еще создать. В 2004 году труды ученых из ИМБ увенчались успехом - диагностика с использованием биочипов была сертифицирована. Сегодня выпускается два вида устройств: для выявления чувствительности микобактерий к препаратам первого и второго ряда

НА ВСЕ РУКИ МАСТЕР

Выпускаются биочипы для самых разных целей. Для выявления возбудителей гриппа А, в том числе птичьего гриппа, герпеса, гепатита В и С, разнообразных инфекций у беременных женщин и новорожденных, для определения предрасположенности к сердечно-сосудистым заболеваниям. А есть и такие, которые могут сослужить службу криминалистам, поскольку определяют пол и группу крови. Ученые работают над биочипами для обнаружения стафилококкового, холерного, дифтерийного, столбнячного токсинов, возбудителей сибирской язвы и чумы, разновидностей вируса оспы.

ЛАБОРАТОРИЯ РАЗМЕРОМ С ПОЧТОВУЮ МАРКУ

Биочип устроен следующим образом. На матрице-подложке расположено множество ячеек с гидрогелем (диаметром около 100 микрон, так что на одном квадратном сантиметре могут разместиться до тысячи ячеек). В ячейках содержатся молекулы-зонды: в зависимости от назначения биочипа это могут быть фрагменты ДНК, РНК или белки. Каждая ячейка - это аналог микропробирки, в которой происходит реакция между молекулами-зондами и молекулами исследуемой пробы. Если эти молекулы подходят друг к другу как ключ к замку, происходит так называемая гибридизация - молекулы соединяются химическими связями. Ячейка, в которой произошла реакция, флуоресцирует (потому что пробу предварительно обрабатывают светящейся меткой). В специальном приборе-анализаторе под названием "чип-детектор" конфигурация светящихся точек покажет, какие мутации есть в клетках пациента, обнаружит бактерии и вирусы, выявит генетические формы микроорганизмов - возбудителей болезни.

1.Забор анализируемогообразца.
2 Обработка образца.
3 Взаимодействие образца
с иммобилизованными зондами биологического микрочипа.
4 Анализ биочипа после взаимодействия. Картина распределения свечения ячеек микрочипа является индивидуальной характеристикой анализируемого образца.
Управляющая программа контролирует эксперимент и обрабатывает данные в реальном масштабе времени и отображает их на экране монитора.

Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии, никуда вживлять не надо.

Эти маленькие штучки могут за один день сказать, какими лекарствами надо лечить туберкулез у данного пациента, различить ужасный вирус птичьего гриппа среди других вирусов и показать, есть ли у человека вероятность заболеть раком.

ИСТОРИЯ "РУССКОГО БИОЧИПА"

Даже не верится, что миниатюрное устройство, закрепленное на предметном стекле (таком, на которое обычно помещают препарат для рассмотрения под микроскопом), может заменить собой целую диагностическую лабораторию. Но это действительно так! "Подобно электронным чипам, биочипы обрабатывают большой массив информации методом параллельного анализа", - объясняет сотрудник лаборатории биологических микрочипов ИМБ Дмитрий Грядунов. Проще говоря, в одно и то же время на одном чипе проходит множество - до нескольких сотен - всевозможных анализов.

Еще более удивительна история происхождения биочипа, который продукт сугубо отечественный, не случайно за рубежом его до сих пор называют "русский биочип". Началось же все в конце 80-х годов прошлого века, когда команда ученых из Института молекулярной биологии РАН (ИМБ) под руководством академика Андрея Мирзабекова, ушедшего из жизни прискорбно рано, в 2003 году, взялась за изготовление универсального миниатюрного анализатора. Идея, конечно, уже витала в воздухе. Но только нашим специалистам удалось воплотить эту идею в жизнь .

Как рассказывал в свое время Андрей Мирзабеков, в то время весь мир был увлечен процессом расшифровки генома человека, и они с коллегами предложили использовать для этих целей биочипы. Но очень скоро поняли, что новые устройства могут пригодиться для решения самых разных практических задач, поэтому поспешили сделать следующий шаг - разработать технологию. И преуспели в этом! Биочипы начали свое победное шествие по миру.

В середине 90-х, когда финансирование российской науки практически полностью прекратилось, академика Мирзабекова пригласили в Аргонскую национальную лабораторию США. Он заявил, что будет работать в Чикаго, только если там создадут совместную исследовательскую группу, в которую войдут как американские, так и российские специалисты. Именно так российским молекулярным биологам удалось пережить "веселые 90-е", самые тяжелые для отечественной науки. За время работы в США они получили больше 10 патентов. На заработанные деньги закупили оборудование и создали комплексную лабораторию в ИМБ.

АТАКА НА ТУБЕРКУЛЕЗ

При традиционном подходе после выявления у пациента туберкулеза рентгенологическими методами его лечат препаратами так называемого первого ряда, к которым относятся рифампицин и изониазид. Параллельно проводят микробиологическое исследование возбудителя, чтобы установить его чувствительность к этим лекарствам. Это занимает от двух до трех месяцев. А когда выясняется, что эти лекарства на данную форму микобактерии не действуют, больной уже в течение нескольких месяцев принимал ненужные и, более того, вредные препараты, успев передать лекарственно-устойчивую форму туберкулеза всем, с кем контактировал. Конечно, в запасе у медиков остаются препараты "второго ряда", но и с ними может произойти та же история. Поэтому быстрая и точная диагностика туберкулеза очень и очень важна.

Если использовать биочипы, диагноз можно поставить менее чем за сутки. Из пробы больного выделяют ДНК и проводят полимеразно-цепную реакцию (ПЦР), чтобы многократно размножить участок ДНК, на котором могут встречаться мутировавшие гены устойчивости к антибиотикам. Последующий анализ на биочипе поможет определить, каким именно из десятков мутантных штаммов туберкулеза заражен пациент. Но эти волшебные биочипы надо было еще создать.

Начиная с 1998 года ученые из ИМБ совместно со специалистами Московского центра по борьбе с туберкулезом бились над решением этой проблемы. В 2004 году их труды увенчались успехом - диагностика с использованием биочипов была сертифицирована. Сегодня выпускается два вида устройств: для выявления чувствительности микобактерий к препаратам первого и второго ряда. "Мы производим 1,5-2 тыс. биочипов в месяц, а в будущем собираемся выйти на 3-4 тыс., - рассказывает Виктор Барский. - Хотя для страны нужно не менее 2 млн биочипов в год. Но это так называемый неплатежеспособный спрос. Наши биочипы используют в 8 противотуберкулезных диспансерах России: в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Казани и Саратове. Сейчас мы получили заказ на оснащение еще 10 медицинских центров". Заключено также соглашение с Главным управлением исполнения наказаний Министерства юстиции РФ о диагностике туберкулеза у заключенных. Важность этого решения трудно переоценить, ведь именно в российских лагерях зародился лекарственно-устойчивый туберкулез и пошел собирать свою страшную жатву по миру.

БИОЧИП БРОСАЕТ ВЫЗОВ РАКУ

Впрочем, на этом исследователи из ИМБ не остановились. Им удалось создать биочипы для диагностики некоторых видов рака. Биочипы эти нескольких типов и работают принципиально по-разному.

С помощью одного вида биочипов можно, к примеру, выявить предрасположенность к раку молочной железы, яичников, простаты и пр. "Достигается это за счет того, что наши биочипы видят, есть ли в геноме данного человека мутации предрасположенности к раку, - объясняет Виктор Барский. - Но такие биочипы трудно сертифицировать, поскольку они показывают лишь вероятность болезни, а человек ведь, к счастью, может и не заболеть".

Иначе обстоит дело с биочипами для диагностики рака крови, лейкемии. Вызывают ее разные хромосомные перестройки. Внешне эти типы лейкозов неотличимы друг от друга, но лечить их нужно по-разному. При одних лейкозах пациента можно вылечить современными лекарствами, а при других - не стоит даже пробовать, надо сразу делать пересадку костного мозга. Биочипы позволяют сразу же выявить, какой тип хромосомных перестроек явился причиной лейкемии, что позволяет врачу изначально выбрать правильную стратегию лечения. Сейчас биочипы для диагностики лейкемии проходят сертификацию. Также биочипы позволяют сразу же различить, какой формой рака груди - хорошо излечимой или плохо излечимой - страдает пациентка.

И, наконец, благодаря биочипам стала реальностью мечта многих поколений врачей о диагностике рака на самых ранних стадиях заболевания, когда он еще легко излечим. В основу этой методики положен тот факт, что при тех или иных видах рака в крови появляются определенные белки-онкомаркеры, их и диагностируют биочипы. Правда, для нахождения и анализа онкомаркеров нужны уже не ДНК-овые, а белковые биочипы. Зондами в них служат белки-антигены, которые пространственно соответствуют белкам-антителам в крови больного. Впрочем, именно в этой области российские ученые не одиноки. Подобные биочипы весьма успешно производятся и за рубежом. Отечественным ученым надо очень постараться, чтобы выиграть в этой конкурентной борьбе.

НА ВСЕ РУКИ МАСТЕРА

Но этим область применения биочипов не ограничивается. Выпускаются биочипы для самых разных целей. Для выявления возбудителей гриппа А, в том числе птичьего гриппа, герпеса, гепатита В и С, разнообразных инфекций у беременных женщин и новорожденных, для определения предрасположенности к сердечно-сосудистым заболеваниям. А есть и такие, которые могут сослужить службу криминалистам, поскольку определяют пол и группу крови. Ученые работают над биочипами для обнаружения стафилококкового, холерного, дифтерийного, столбнячного токсинов, возбудителей сибирской язвы и чумы, разновидностей вируса оспы. "С помощью биочипов можно определить, будет ли человек переносить то или иное лекарство и даже то, насколько человек генетически подходит для той или иной профессии, - рассказывает Виктор Барский. - Например, существуют гены, отвечающие за хорошую устойчивость человека к недостатку кислорода. Значит, обладатели этих генов могут работать, например, на высоте. Эти гены можно выявить".

Надо сказать, что биочипами в России занимаются и другие исследовательские группы. Биочип для экспресс-диагностики вирусов гриппа разрабатывают ученые из НИИ гриппа РАМН в Санкт-Петербурге совместно с Институтом биоорганического синтеза в Москве. Это устройство внешне напоминает кредитную карту со встроенными рецепторами для распознавания человеческих и птичьих вирусов. Как объяснил директор института академик РАМН Олег Киселев, нанеся на биочип биологический материал от заболевшей птицы, можно оперативно выяснить, какой разновидностью вируса гриппа она страдает.

Специалисты ГУ НИИ экспериментальной медицины РАМН разрабатывают биологический микрочип для выявления на ранней стадии одного из тяжелых осложнений сахарного диабета - диабетической нефропатии. Это белковый биочип, зондами на нем служат фрагменты генно-инженерного белка G, который связывает человеческий альбумин. Биочип способен уловить очень маленькие концентрации альбумина в моче, которые свидетельствуют о поражении почек, и отслеживать изменение этого показателя в течение всего лечения.

В Гематологическом научном центре РАМН создают белковые биочипы на основе иммуноглобулинов, которые позволяют найти в крови возбудителей различных заболеваний, а также антитела, гормоны, цитокины и опухолевые клетки.

ЗАГРАНИЦА НАМ ПОМОЖЕТ?

Со времени своего изобретения российские биочипы снискали заслуженную популярность как у нас в стране, так и за рубежом. "Есть европейские партнеры, которые заинтересованы в самом широком внедрении нашей технологии, - рассказывает заместитель директора по науке ИМБ РАН доктор биологических наук Александр Заседателев. - Так, французский госпиталь в Тулузе использует российские биочипы для диагностики разновидностей вируса гепатита С, поскольку разные типы заболевания надо лечить по-разному. В скором времени они будут применяться и в других французских госпиталях". Российские биочипы для диагностики рака крови с успехом используют в Бразилии. В странах бывшего СНГ технологию собираются применять в Белоруссии, Украине, Киргизии. Поступил запрос и из Кореи. В США российские приборы и биочипы есть в нескольких организациях: в Центре контроля заболеваемости, в Food and Drug Administration и в госпитале в Арканзасе, который занимается лечением туберкулеза среди мигрантов. "Мы не продаем наши биочипы за границу, а передаем их в рамках научных проектов", - подчеркивает Виктор Барский. Для биочипов открылись и совершенно не-ожиданные перспективы: не так давно NASA заинтересовалось возможностями их использования для обнаружения внеземной жизни.

Конечно, биочипы производят и за рубежом: несколько биотехнологических фирм в США (Affymetrix, Clontech, Motorola и др.), в Японии (Hitachi, Matsushita, Fuji), в Европе. Американцы добились рекордного количества ДНК-зондов, размещенных на одной матрице: до десятков и сотен тысяч. Отечественные биочипы имеют относительно небольшое количество ячеек с зондами: от 1000 до 4000. Но для диагностики какой-то одной группы заболеваний этого вполне достаточно. За счет простоты удалось снизить цену и упростить проведение анализа. "Цена одного анализа с помощью российского биочипа - 500 рублей, - говорит Дмитрий Грядунов, - а в США проведение одного анализа стоит 2 тысячи долларов. Поэтому наши биочипы в отличие от зарубежных годятся для массового применения".

В последние годы биочипами заинтересовались и в России. Проект "Биочипы" получил государственный контракт с Федеральным агентством по науке и инновациям (Роснаука) в рамках приоритетного направления "Живые системы".

ЛАБОРАТОРИЯ РАЗМЕРОМ С ПОЧТОВУЮ МАРКУ

КАК ДЕЛАЮТ БИОЧИПЫ

Биочипы можно изготавливать разными способами. Лидирующая в этом направлении американская фирма Affymetrix производит их тем же способом, что и электронные чипы (она и располагается в Силиконовой долине в Калифорнии). По этой методике фрагменты ДНК - зонды - наращиваются прямо на стеклянной пластинке методом фотолитографии. Именно высокий уровень развития микроэлектроники позволил добиться таких впечатляющих результатов - десятки и сотни тысяч зондов на одном биочипе.

В ИМБ РАН применяют другой подход. Фрагменты ДНК синтезируют отдельно, а затем наносят на подложку в строго определенном порядке. Эту работу выполняют роботы под управлением компьютера. На отечественном чипе размещается от 100 до 4000 зондов.

ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Сферы применения биочипов расширяются с каждым годом. Вот только наиболее интересные из них.

БИОЧИПЫ ДЛЯ АРМИИ

Специалисты из Нортвестернского университета в США разработали для американской армии биочип, который может обнаружить бактериальное заражение окружающей среды. Если на него попадает ДНК от патогенных микробов, то фрагменты ДНК-зондов с прикрепленными к ним микроскопическими частицами золота выстраиваются в ряд. Между электродами идет ток, и биочип сигнализирует об угрозе.

БИОЧИПЫ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ

Биочип, позволяющий определить влияние тренировок на организм спортсменов, изобрела испанская компания Sabiobbi. Он одновременно исследует 17 генов, связанных с физическими и метаболическими возможностями организма. Результаты анализов можно соотнести с нагрузками, которые испытывает спортсмен при тренировках, и скорректировать программу. Это изобретение, считают авторы, позволит избежать случаев преждевременной смерти из-за физических перегрузок.

БИОЧИПЫ ДЛЯ ПОЛИЦЕЙСКИХ

Чипы-биосенсоры на основе магнитных наночастиц и сверхчувствительных магнитных сенсоров реагируют на связывание определенных биомолекул из пробы зондами на поверхности наночастиц. Передовые разработки в этой области принадлежат Philips Research Laboratories. Такой биосенсор способен за 1 минуту определять следовые концентрации морфина в слюне - 10 нанограмм в миллилитре.

БИОЧИПЫ ДЛЯ ВРАЧЕЙ

Швейцарский фармакологический концерн Roche начал поставку на американский рынок первого в мире биочипа, с помощью которого врач может заранее определить, насколько эффективным будет тот или иной препарат для данного пациента и какие побочные реакции он может у него вызвать. В основе биочипа лежит технология, разработанная американской фирмой Affymetrix. Биочип анализирует мутации двух генов, играющих важную роль в усвоении примерно четверти всех продаваемых медикаментов, - например, антидепрессантов и средств, снижающих давление.

БИОЧИПЫ ДЛЯ АСТРОНАВТОВ

Специалисты Американского космического центра Маршалла развивают технологию биочипов с электронными компонентами. Такой чип может обнаруживать бактерии, белки, ДНК и, по замыслу NASA, пригодится для двух видов работ. Во-первых, в будущих автоматических системах, ищущих признаки жизни на Марсе и других планетах. А во-вторых, как часть системы безопасности будущих марсианских пилотируемых кораблей и исследовательских станций, чтобы находить биологические загрязнения, возможно неземного происхождения, внутри обитаемых помещений.

Материалы по теме

Российские ученые из МФТИ и еще нескольких академических институтов создали чип, который позволяет с высокой точностью определять один из самых распространенных раков - колоректальный (так называют злокачественные опухоли толстой и прямой кишки).

ЧТО АМЕРИКАНЦАМ ЗАПРОСТО...

Крайне важно, что новый тест очень прост, кровь для него берут из вены точно так же, как для обычного так называемого биохимического анализа. Поэтому он будет хорошо подходить для скрининга - быстрого и простого отбора пациентов даже с ранними формами рака. Сейчас в мире для этого рекомендуют колоноскопию, которую после 50 лет нужно проводить не реже одного раза в десятилетие. Это совсем непростая и не очень приятная процедура, при которой гибкий эндоскоп вводят через прямую кишку в толстый кишечник. В США это профилактическое исследование для людей старше пятидесяти поставлено на поток. Каждый эпизодически получает по почте приглашение на такую диагностическую процедуру.

У нас такое исследование проводят по показаниям, когда есть симптомы какого-либо заболевания толстого кишечника. Если же кто-то хочет просто провести такое профилактическое исследование, как это делают в США, чтобы не проморгать болезнь, это можно сделать на платной основе в индивидуальном порядке. Может быть, всем поголовно его и не стоит делать, но тем, у кого есть факторы риска развития колоректального рака, это исследование лишним не будет.

Почему ранняя диагностика рака толстой и прямой кишки так важна? Во-первых, это заболевание одно из самых распространенных - в развитых странах эта злокачественная опухоль стоит на 3-м месте среди всех видов рака. Во-вторых, болезнь весьма тяжелая и тяжело лечится. Несмотря на большие достижения в ее лечении, результаты далеко не самые лучшие: пятилетнее выживание после хорошей терапии бывает примерно у 60-65% пациентов. И в-третьих, если опухоль выловить на ранних стадиях, то результаты будут гораздо лучшими. Для этого и нужен скрининг. И лучше простой и не очень затруднительный, как колоноскопия.

НАУКА - ПРАКТИКЕ

Над поиском такой методики трудится немало ученых в мире. Например, в США недавно появился метод диагностики по сложному анализу стула. Но наши ученые предложили еще более удачное решение. Про-цедура исследования сведена к забору крови из вены, как это делают при биохимическом анализе крови. Российский биочип построен на совсем иных принципах, чем американский набор для диагностики. Хорошо известно, что в крови есть маркеры, которые могут свидетельствовать о наличии опухоли. Они тем или иным образом связаны с обменом веществ в злокачественных клетках и с ответом организма на опухоль. И таких маркеров много. Беда в том, что они весьма капризны: могут быть не только при колоректальном раке, но и при других опухолях и даже при иных состояниях. То есть их специфичность для данного вида рака не всегда достаточна для уверенной постановки диагноза. Наши ученые нашли выход из этой проблемы: они сделали комбинированный чип, который определяет сразу не один маркер, а много. Благодаря этому точность диагностики повысилась многократно.

Не будем приводить названия маркеров, которые определяются при использовании чипа. Для нас гораздо важнее чувствительность предложенного теста - она составляет 88%. То есть он определяет наличие опухоли у 88% больных из 100. Это очень хороший показатель.

Отчет об исследовании отечественного чипа опубликован на днях во влиятельном международном журнале Cancer Medicine, и есть все основания полагать, что скоро такая полезная диагностическая система поступит в практическое здравоохранение. И самое главное, по этому же принципу можно разработать диагностические чипы и для других видов рака.

Материал подготовил Олег Днепров

Фото THESTAR.COM

ФАКТОРЫ РИСКА КОЛОРЕКТАЛЬНОГО РАКА:

наличие таких болезней, как дивертикулы толстой кишки и неспецифический язвенный колит (болезнь Крона);
возраст старше 50 лет;
наличие этой опухоли у кровных родственников;
большое содержание жиров и мяса в питании;
пристрастие к алкоголю;
курение;
сахарный диабет, ожирение, низкая физическая активность.

Технология белковых биочипов, заменяющих целые иммунроргические лаборатории, дает возможность в тысячи раз увеличить производительность большинства диагностических методов – за короткое время определять несколько тысяч аллергенов, онкогенов, различных биологически активных веществ, и даже генетических дефектов – и резко снизить себестоимость анализов.

Прообразом современных «живых чипов» послужил саузернблот, изготовленный в 1975 г. Э. Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности среди фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать тему биочипов только в конце 1980-х гг. в институте молекулярной биологии под руководством А. Д. Мирзабекова.

Биочип представляет собой матрицу - пластинку со стороной 5-10 мм, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов; ее еще называют платформой. Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества 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% - белковые чипы.

Биологические микрочипы во многом схожи с электронными: и те, и другие собирают и обрабатывают огромное количество информации на малой поверхности. И те, и другие состоят из огромного количества идентичных миниатюрных элементов, размещенных рядом друг с другом, хотя ячейки биочипа по полупроводниковым меркам просто огромны. При этом действие электронного чипа основано на ответе «да-нет», а биологический чип позволяет выбрать из миллионов или миллиардов возможностей единственно верную. Компьютерный чип производит миллионы математических операций в секунду, но и на биочипе за пару секунд проходят тысячи биохимических реакций.

Разработанный в России биочип-это стеклянная пластинка, на которую нанесены десятки едва видимых глазом полусферических гидрогелевых ячеек диаметром менее 100 микрон каждая, и содержащих известные вещества-маркеры. При взаимодействии биочипа с исследуемым образцом, предварительно обработанным светящимся (флуоресцентным) красителем, в соответствующих ячейках происходит химическая реакция, и тогда эти ячейки начинают светиться-тем сильнее, чем интенсивнее процесс.

Принцип действия биологических чипов основан на способности комплементарных оснований образовывать химические связи: в ходе реакции происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК, одна из них (ДНК-проба) с известной последовательностью нуклеотидов зафиксирована на подложке (пластине), а другая одноцепочечная ДНК-мишень (зонд), меченная флуоресцентной меткой, вносится в ДНК-чип.

По сути, именно в выявления и сопоставлении наиболее ярко светящихся ячеек и заключается работа прибора-анализатора биочипов. Так определяются различные характеристики образца, например, присутствие в организме тех или иных возбудителей инфекций или наличие в геноме каких-либо измененных генов.

Особенность российских биочипов в том, что их ячейки заполнены гелем трехмерной структуры. Такие гели удерживают большее количество пробы, нежели двумерные, и потому чувствительность отечественных биочипов выше, а, следовательно, ниже требования к регистрирующей аппаратуре. Немаловажно и то, что реакции в объемном геле протекают так же, как и в жидкостях, а значит, как и в живом организме. Это позволяет получить результат, максимально приближенный к реальности.

На Западе исследователи пошли по другому пути и разработали для создания ДНК-чипов процесс фотолитографии, аналогичный процессу производства кремниевых процессоров. Например, «Affimetrix» (США) создал GeneChip-технологию, основанную на высокоплотных чипах, содержащих ДНК-последовательности, и предназначенную для анализа генетической информации человека. Такие чипы обладают гораздо большей емкостью, стоят значительно дороже, что пока позволяет использовать их исключительно в крупных исследовательских центрах или в коммерческих клиниках.

Еще одним методом конструирования биочипов является использование «технологии струйного принтера» для нанесения необходимого нуклеотида в строго определенное место матрицы. Он менее дорог, во при этом не позволяет достичь высокой скорости синтеза.

Сейчас число размещаемых на российском биочипе ячеек достигает уже нескольких тысяч, однако чаще используются биочипы с гораздо меньшим числом ячеек. Тем не менее простой чип может выявить все известные на сегодняшний день формы возбудителя туберкулеза, а также определить, каким именно антибиотиком нужно лечить конкретную форму не за несколько недель, как традиционным способом, а всего в течение нескольких суток.

При помощи белковых чипов с молекулами, «чувствительными» к различным низкомолекулярным соединениям, уже в самое ближайшее время можно будет определить наличие широкого спектра лекарственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов, пестицидов практически в любом анализируемом материале.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое реакции иммунитета?

2. В чем заключается сущность реакции агглютинации?

3. Какие варианты реакции преципитации существуют?

4. Охарактеризуйте реакцию связывания комплемента.

5. Что такое метод флюоресцирующих антител?

6. В чем сущность иммуноферментного метода?

7. Опишите особенности радиоиммунологического анализа.

8. Что такое реакции иммунитета?

9. В чем заключается сущность реакции агглютинации?

10. Дайте определение радиоиммунологического анализа?

Учёные из Московского физико-технического института и ряда других российских научных центров создали необычный биочип (микросхему, использующую биологически активные молекулы) для диагностики рака толстой кишки. На данный момент обнаружить это заболевание крайне сложно, из-за чего его лечение обычно начинают слишком поздно. Новинка описана в статье , вышедшей в журнале Cancer Medicine .

Рак кишечника на начальных стадиях протекает внешне бессимптомно и часто обнаруживается только после появления косвенных следов раковой опухоли. Как известно, по мере развития опухоли её способность сопротивляться лекарствам и другим видам терапии резко растёт, из-за чего рак, замеченный на ранних стадиях, как правило, лечится, в то время как на поздних - довольно редко. Поэтому лишь 36% пациентов с этим заболеванием успевают прожить пять лет после постановки диагноза. Усугубляет ситуацию то, что данный вид рака - третий по распространённости среди всех вновь регистрируемых опухолей.

Для решения проблемы его ранней диагностики российские учёные разработали трёхмерный биочип на основе гидрогеля . Он представляет собой ряд связанных микропластинок, на которые нанесены структуры из гидрогеля, подобные микрогнёздам. В "гнёздах" находятся молекулярные зонды - биоактивные молекулы, которые взаимодействуют с веществами сыворотки крови, если в ней содержатся те соединения, на поиск которых нацелены зонды-молекулы.

Новинка реагирует на целый комплекс признаков, говорящих о наличии рака кишечника. Она отслеживает аутоантитела - те антитела иммунной системы, что нацелены на поиск и уничтожение раковых клеток. Сами по себе они часто встречаются в кровотоке, ведь в организме человека систематически появляются раковые клетки, большинство из которых уничтожается иммунитетом ещё до того, как успеют размножиться и образовать опухоль. Когда аутоантитела нацелены на борьбу с той или иной конкретной разновидностью рака, они реагируют на свойственные именно этому виду рака гликаны. Так называют биополимеры, сложенные из моносахаридов и играющие важную роль во взаимодействии клеток между собой. У здоровых и раковых клеток гликаны слегка отличаются по составу. Именно такие "неправильные" гликаны и ищет аутоантитело, чтобы идентифицировать и атаковать раковую клетку.

Авторы новой работы отмечают, что их биочип находит в сыворотке крови не только ассоциированные с раком кишечника аутоантитела, но и ряд других "меток" этого заболевания. В частности, речь идёт о белках-маркёрах, выделяемых раковыми клетками, и иммуноглобулинах (антитела) G, A и M.

Такой комплексный подход при экспериментальной проверке позволил добиться результатов, намного превосходящих все существующие методы диагностики рака кишечника. В соответствующем эксперименте приняло участие 33 пациента с соответствующим заболеванием. В качестве контрольных групп выступили 69 здоровых людей и 27 лиц с воспалительными заболеваниями кишечника. Чувствительность нового биочипа оказалась равна 87% - именно такую долю лиц с раком толстого кишечника ему удалось распознать. Хотя эта цифра может не показаться высокой, существующие на сегодня методы (безгликановые) имеют чувствительность всего в 21%, что в несколько раз ниже, чем у нового биочипа.

Авторы работы полагают, что разработанный ими метод является чрезвычайно перспективным для диагностики рака кишечника. Они надеются, что уже в скором времени созданные на его основе тест-системы появятся в клинических лабораториях нашей страны.