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Scienziati russi dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e diverse altre istituzioni accademiche hanno creato un chip che consente di determinare con precisione uno dei tumori più comuni: quello del colon-retto (i cosiddetti tumori maligni del colon e del retto).

QUELLO CHE GLI AMERICANI FACILMENTE...

È estremamente importante che il nuovo test sia molto semplice, il sangue viene prelevato da una vena allo stesso modo della solita cosiddetta analisi biochimica. Pertanto, sarà particolarmente adatto per lo screening: selezione rapida e semplice dei pazienti anche con forme precoci di cancro. Ora nel mondo per questo è consigliata la colonscopia, che dopo 50 anni dovrebbe essere eseguita almeno una volta ogni decennio. Questa è una procedura molto difficile e poco piacevole, in cui un endoscopio flessibile viene inserito attraverso il retto nell'intestino crasso. Negli Stati Uniti è in corso questo studio preventivo per le persone sopra i cinquanta. Tutti ricevono occasionalmente un invito per posta per tale procedura diagnostica.

Nel nostro paese, tale studio viene effettuato secondo le indicazioni, quando sono presenti sintomi di qualsiasi malattia dell'intestino crasso. Se qualcuno vuole semplicemente condurre uno studio preventivo, come viene fatto negli Stati Uniti, per non perdere la malattia, questo può essere fatto su base retribuita su base individuale. Forse tutti, nessuno escluso, non dovrebbero farlo, ma per coloro che hanno fattori di rischio per lo sviluppo del cancro del colon-retto, questo studio non sarà superfluo.

Perché è importante la diagnosi precoce del cancro del colon e del retto? In primo luogo, questa malattia è una delle più comuni: nei paesi sviluppati questo tumore maligno è al 3 ° posto tra tutti i tipi di cancro. In secondo luogo, la malattia è molto grave e difficile da trattare. Nonostante i grandi progressi nel trattamento, i risultati sono lungi dall’essere dei migliori: una sopravvivenza di cinque anni dopo una buona terapia si verifica in circa il 60-65% dei pazienti. E in terzo luogo, se il tumore viene catturato nelle fasi iniziali, i risultati saranno molto migliori. A questo serve lo screening. Ed è meglio semplice e non molto difficile, come una colonscopia.

SCIENZA - PRATICA

Molti scienziati nel mondo stanno lavorando alla ricerca di tale tecnica. Ad esempio, negli Stati Uniti è recentemente apparso un metodo diagnostico basato sull'analisi complessa delle feci. Ma i nostri scienziati hanno trovato una soluzione ancora migliore. La procedura di ricerca si riduce al prelievo di sangue da una vena, come avviene con un esame del sangue biochimico. Il biochip russo è costruito su principi completamente diversi rispetto al kit diagnostico americano. È noto che nel sangue sono presenti dei marcatori che possono indicare la presenza di un tumore. Sono in un modo o nell'altro collegati al metabolismo delle cellule maligne e alla risposta dell'organismo al tumore. E ci sono molti di questi indicatori. Il problema è che sono molto capricciosi: possono esserlo non solo con il cancro del colon-retto, ma anche con altri tumori e persino con altre condizioni. Cioè, la loro specificità per questo tipo di cancro non è sempre sufficiente per una diagnosi sicura. I nostri scienziati hanno trovato una soluzione a questo problema: hanno realizzato un chip combinato che rileva non solo un marcatore alla volta, ma molti. Grazie a ciò, l'accuratezza della diagnostica è aumentata molte volte.

Non forniremo i nomi dei marcatori determinati durante l'utilizzo del chip. Per noi la sensibilità del test proposto è molto più importante: è dell'88%. Cioè determina la presenza di un tumore nell'88% dei pazienti su 100. Questo è un ottimo indicatore.

Un rapporto sullo studio di un chip domestico è stato recentemente pubblicato sull'autorevole rivista internazionale Cancer Medicine, e ci sono tutte le ragioni per credere che un sistema diagnostico così utile entrerà presto nella pratica sanitaria. E, cosa più importante, lo stesso principio può essere utilizzato per sviluppare chip diagnostici per altri tipi di cancro.

Materiale preparato Oleg Dneprov

Foto THESTAR.COM

FATTORI DI RISCHIO PER IL CANCRO DEL COLON-RETTO:

la presenza di malattie come diverticoli del colon e colite ulcerosa (morbo di Crohn);
età superiore ai 50 anni;
la presenza di questo tumore nei parenti di sangue;
alto contenuto di grassi e carne nella dieta;
dipendenza dall'alcol;
fumare;
diabete, obesità, scarsa attività fisica.

La corrispondente del canale televisivo MIR 24 Olga Klimkina parla degli ultimi sviluppi della medicina russa. Stiamo parlando di uno speciale biochip che permetterà di diagnosticare il cancro in tempi record. Il sistema dovrà essere approvato da Roszdrav, dopodiché inizieranno gli studi clinici.

Gli scienziati russi hanno sviluppato uno speciale biochip che consentirà di diagnosticare il cancro in tempi record. Il sistema dovrebbe essere incoraggiato da Roszdrav, dopodiché inizieranno gli studi clinici. Il nuovo metodo è stato valutato dalla corrispondente del canale televisivo MIR 24 Olga Klimkina.
Due anni di ricerca, prove ed errori. Il risultato è nel laboratorio del Blokhin Cancer Center. Questo è l'aspetto del biochip e questo è l'aspetto del mezzo di trasporto e dei nutrienti. Viene loro portato uno scanner speciale. Tutti insieme, un unico complesso che può aiutare a sconfiggere il cancro. Per Marina Savostikova, una delle autrici dello sviluppo, questa non è solo una lotta professionale, ma anche personale. Lei stessa è sopravvissuta due volte a una terribile malattia. Sa che l'esito dipende dalla diagnosi tempestiva.

“Possiamo dire: mio Dio, hai l’adenocarcinoma. E hai l'adenocarcinoma del polmone. Oppure, diciamo, collega, devi escludere il cancro del colon-retto ", ha spiegato il Ph.D. N.N. Blokhina Marina Savostikova.

Per determinare la diagnosi con tanta facilità, gli scienziati hanno lavorato a Mosca presso il Blokhin Cancer Center e l'Istituto di microbiologia ed epidemiologia e a Nizhny Novgorod presso l'Accademia medica. Di conseguenza, è stato creato un biochip: una piastra con 15 celle. Ciascuno contiene anticorpi diversi. Reagiscono a un certo tipo di cancro nelle cellule. Inoltre coloranti speciali che mostrano la reazione.

“Al momento abbiamo liquido pleurico di una donna nata nel 1929 e di un'altra donna affetta da carcinoma ovarico. Condurremo le loro ricerche sui biochip”, sottolinea il medico.
Per fare una diagnosi, non è necessario il sangue, ma il liquido versato che si accumula in un corpo malato. Da esso si prelevano dei campioni, si mescolano, si mettono in una centrifuga e si preleva il precipitato.

"Noi vartexiamo, mescoliamo, in modo che la sospensione cellulare che applichiamo al biochip abbia una distribuzione uniforme in tutte le cellule", ha detto un ricercatore del Centro russo per la ricerca sul cancro. N.N. Blokhina Elena Furminskaya.
Dopo scaldarlo fino a 37 gradi e a giudizio del medico al microscopio a fluorescenza. Sullo schermo sono presenti punti rossi e verdi. Per uno specialista, il cancro appare così.

Il cancro non è così grave come si dice.

“Si tratta di un complesso di cancro ovarico sieroso. Qui ci sono singole cellule, dovevamo confermarle e le abbiamo confermate ", ha detto Marina Savostikova.
Finora questa non è una diagnosi ufficiale, ma solo il risultato della ricerca. Gli sviluppatori stanno aspettando l'approvazione di Roszdravnadzor e prevedono di iniziare gli studi clinici ad aprile. Successivamente, i biochip possono apparire in qualsiasi clinica russa.

Ogni anno in Russia muoiono di cancro più di 300.000 persone. Si scopre che quasi mille pazienti muoiono ogni giorno nel Paese. Se a un paziente viene diagnosticata la prima fase, con una probabilità del 93% sopravviverà, scrive il Russian Cancer Portal.

I biochip creati presso l’Istituto di Biologia Molecolare non necessitano di essere impiantati da nessuna parte.

Queste piccole cose possono dire in un giorno quali farmaci curare la tubercolosi in un dato paziente, distinguere il terribile virus dell'influenza aviaria da altri virus e mostrare se una persona ha probabilità di ammalarsi di cancro.

STORIA DEL “BIOCHIP RUSSO”

È difficile credere che un dispositivo in miniatura montato su un vetrino (il tipo su cui viene solitamente posto un farmaco per essere esaminato al microscopio) possa sostituire un intero laboratorio diagnostico. Ma lo è davvero! "Come i chip elettronici, i biochip elaborano una grande quantità di informazioni utilizzando il metodo dell'analisi parallela", spiega Dmitry Gryadunov, un dipendente del laboratorio di microchip biologico IMB. In poche parole, su un chip vengono eseguite contemporaneamente molte, fino a diverse centinaia, di tutti i tipi di analisi.

Ancora più sorprendente è la storia dell'origine del biochip, che è un prodotto prettamente nazionale, non a caso all'estero viene ancora chiamato "biochip russo". Tutto ebbe inizio alla fine degli anni '80 del secolo scorso, quando un team di scienziati dell'Istituto di biologia molecolare dell'Accademia russa delle scienze (IMB), guidato dall'accademico Andrei Mirzabekov, scomparso tristemente all'inizio del 2003, iniziò a produrre un analizzatore universale in miniatura. L’idea, ovviamente, era già nell’aria. Ma solo i nostri specialisti sono riusciti a dare vita a questa idea.

Come disse una volta Andrei Mirzabekov, a quel tempo il mondo intero era affascinato dal processo di decifrazione del genoma umano, e lui e i suoi colleghi proposero di utilizzare i biochip per questo scopo. Ma ben presto si sono resi conto che i nuovi dispositivi potevano essere utili per risolvere una serie di problemi pratici, quindi si sono affrettati a fare il passo successivo: sviluppare la tecnologia. E ci sono riusciti! I biochip hanno iniziato la loro marcia vittoriosa in tutto il mondo.

A metà degli anni '90, quando i finanziamenti alla scienza russa furono quasi completamente interrotti, l'accademico Mirzabekov fu invitato all'Argonne National Laboratory degli Stati Uniti. Ha dichiarato che avrebbe lavorato a Chicago solo se fosse stato creato un gruppo di ricerca congiunto, che includesse specialisti sia americani che russi. È così che i biologi molecolari russi sono riusciti a sopravvivere agli "allegri anni '90", i più difficili per la scienza russa. Durante il loro lavoro negli Stati Uniti, hanno ricevuto più di 10 brevetti. Con il denaro guadagnato acquistarono attrezzature e crearono un laboratorio completo presso l'IMB.

Il "biochip russo", come veniva chiamato all'estero, ha ricevuto il riconoscimento. Il diritto di utilizzare la tecnologia è stato acquistato da Motorola e HP, che hanno poi registrato il brevetto per la tecnologia modificata. In risposta, gli scienziati dell’IMB hanno sviluppato e brevettato una tecnologia migliore.

ATTACCO ALLA TBC

Nell'approccio tradizionale, dopo che a un paziente è stata diagnosticata la tubercolosi mediante raggi X, viene trattato con i cosiddetti farmaci di prima linea, che includono rifampicina e isoniazide. Parallelamente, viene effettuato uno studio microbiologico dell'agente patogeno per stabilirne la sensibilità a questi farmaci. Ci vogliono dai due ai tre mesi. E quando si scopre che questi farmaci non funzionano su questa forma di micobatteri, il paziente ha assunto per diversi mesi farmaci non necessari e, per di più, dannosi, essendo riuscito a trasmettere la forma di tubercolosi resistente ai farmaci a tutti quelli con cui è entrato contatto con. Naturalmente, i medici hanno ancora in magazzino farmaci di seconda linea, ma a loro può succedere la stessa storia. Pertanto, una diagnosi rapida e accurata della tubercolosi è molto, molto importante.

Se si utilizzano i biochip, la diagnosi può essere fatta in meno di un giorno. Il DNA viene isolato dal campione di un paziente e viene eseguita una reazione a catena della polimerasi (PCR) per moltiplicare ripetutamente una sezione del DNA in cui possono verificarsi geni mutati di resistenza agli antibiotici. La successiva analisi su un biochip aiuterà a determinare da quale delle dozzine di ceppi mutanti di tubercolosi è infetto il paziente. Ma questi biochip magici dovevano ancora essere creati.

Dal 1998 gli scienziati dell'IMB, insieme agli specialisti del Centro di lotta alla tubercolosi di Mosca, lottano per risolvere questo problema. Nel 2004 i loro sforzi sono stati coronati dal successo: è stata certificata la diagnostica mediante biochip. Oggi vengono prodotti due tipi di dispositivi: per rilevare la sensibilità dei micobatteri ai farmaci di prima e di seconda linea. "Produciamo 1,5-2mila biochip al mese e in futuro arriveremo a 3-4mila", afferma Viktor Barsky. "Anche se il paese ha bisogno di almeno 2 milioni di biochip all'anno. Ma questo è il cosiddetto domanda insolvente "I nostri biochip sono utilizzati nei dispensari da 8 TB in Russia: a Mosca, San Pietroburgo, Ekaterinburg, Novosibirsk, Kazan e Saratov. Ora abbiamo ricevuto l'ordine di attrezzare altri 10 centri medici." È stato inoltre firmato un accordo con la Direzione principale per l'esecuzione delle pene del Ministero della Giustizia della Federazione Russa sulla diagnosi della tubercolosi nei detenuti. L'importanza di questa decisione difficilmente può essere sopravvalutata, perché fu nei campi russi che nacque la tubercolosi resistente ai farmaci e andò a raccogliere il suo terribile raccolto in tutto il mondo.

IL BIOCHIP SFIDA IL CANCRO

Ma i ricercatori dell’IMB non si sono fermati qui. Sono riusciti a creare biochip per la diagnosi di alcuni tipi di cancro. Questi biochip sono di diversi tipi e funzionano in modo fondamentalmente diverso.

Con l'aiuto di un tipo di biochip è possibile, ad esempio, identificare una predisposizione al cancro al seno, alle ovaie, alla prostata, ecc. "Ciò si ottiene perché i nostri biochip vedono se ci sono mutazioni nel genoma di una determinata persona con predisposizione al cancro", spiega Viktor Barsky. "Ma questi biochip sono difficili da certificare, poiché mostrano solo la probabilità di una malattia e, fortunatamente, una persona potrebbe non ammalarsi".

La situazione è diversa con i biochip per la diagnosi del cancro del sangue e della leucemia. È causato da vari riarrangiamenti cromosomici. Esternamente, questi tipi di leucemia sono indistinguibili l'uno dall'altro, ma devono essere trattati in modo diverso. Con alcune leucemie, il paziente può essere curato con farmaci moderni, mentre con altri non dovresti nemmeno provarci, dovresti fare immediatamente un trapianto di midollo osseo. I biochip consentono di identificare immediatamente quale tipo di riarrangiamenti cromosomici hanno causato la leucemia, consentendo al medico di scegliere inizialmente la giusta strategia di trattamento. Ora i biochip per la diagnosi della leucemia sono in fase di certificazione. Inoltre, i biochip consentono di distinguere immediatamente di quale forma di cancro al seno - ben curabile o scarsamente curabile - soffre la paziente.

E finalmente, grazie ai biochip, il sogno di molte generazioni di medici di diagnosticare il cancro nelle prime fasi della malattia, quando è ancora facilmente curabile, è diventato realtà. Questa tecnica si basa sul fatto che in alcuni tipi di cancro, alcune proteine marcatrici tumorali compaiono nel sangue e i biochip le diagnosticano. È vero, per trovare e analizzare i marcatori tumorali non è necessario il DNA, ma i biochip proteici. Le sonde in esse contenute sono proteine antigene che corrispondono spazialmente alle proteine anticorpali nel sangue del paziente. Tuttavia, gli scienziati russi non sono soli in questo settore. Tali biochip vengono prodotti con successo all'estero. Gli scienziati nazionali dovrebbero impegnarsi al massimo per vincere questa lotta competitiva.

tuttofare

Ma la portata dei biochip non si limita a questo. I biochip vengono prodotti per diversi scopi. Per identificare gli agenti patogeni dell'influenza A, tra cui l'influenza aviaria, l'herpes, l'epatite B e C, varie infezioni nelle donne in gravidanza e nei neonati, per determinare la predisposizione alle malattie cardiovascolari. E c'è chi può servire ai criminologi, perché determinano il sesso e il gruppo sanguigno. Gli scienziati stanno lavorando su biochip per rilevare stafilococchi, colera, difterite, tossine del tetano, antrace e agenti patogeni della peste e varietà del virus del vaiolo. "Con l'aiuto dei biochip è possibile determinare se una persona tollera questo o quel medicinale e anche quanto una persona è geneticamente adatta per una determinata professione", afferma Viktor Barsky. "Ad esempio, ci sono geni responsabili della buona resistenza alla mancanza di ossigeno, il che significa "I proprietari di questi geni possono lavorare, ad esempio, in quota. Questi geni possono essere identificati."

Devo dire che in Russia anche altri gruppi di ricerca si occupano di biochip. Gli scienziati dell'Istituto di ricerca sull'influenza dell'Accademia russa delle scienze mediche di San Pietroburgo insieme all'Istituto di sintesi bioorganica di Mosca stanno sviluppando un biochip per la diagnosi rapida dei virus influenzali. Questo dispositivo assomiglia ad una carta di credito con recettori integrati per il riconoscimento dei virus umani e aviari. Come ha spiegato Oleg Kiselev, accademico dell'Accademia russa delle scienze mediche, direttore dell'istituto, applicando il materiale biologico di un uccello malato a un biochip, si può rapidamente scoprire di quale tipo di virus influenzale soffre.

Gli specialisti dell'Istituto statale di ricerca di medicina sperimentale dell'Accademia russa delle scienze mediche stanno sviluppando un microchip biologico per rilevare in fase iniziale una delle gravi complicanze del diabete mellito: la nefropatia diabetica. Questo è un biochip proteico, le sonde su di esso sono frammenti di una proteina G geneticamente modificata che lega l'albumina umana. Il biochip è in grado di catturare concentrazioni molto piccole di albumina nelle urine, che indicano un danno renale, e monitorare il cambiamento di questo indicatore durante l'intero trattamento.

Il Centro di ricerca ematologica dell'Accademia russa delle scienze mediche crea biochip proteici basati su immunoglobuline, che consentono di rilevare gli agenti patogeni di varie malattie nel sangue, nonché anticorpi, ormoni, citochine e cellule tumorali.

L'ESTERO CI AIUTERÀ?

Dalla loro invenzione, i biochip russi hanno guadagnato una meritata popolarità sia nel nostro paese che all’estero. "Ci sono partner europei che sono interessati all'implementazione più ampia possibile della nostra tecnologia", afferma Alexander Zasedatelev, vicedirettore scientifico presso l'IMB RAS, dottore in biologia. trattano in modo diverso. Presto saranno utilizzati in altri ospedali francesi." I biochip russi per la diagnosi del cancro del sangue vengono utilizzati con successo in Brasile. Nei paesi dell’ex CSI, la tecnologia verrà utilizzata in Bielorussia, Ucraina e Kirghizistan. C'era anche una richiesta dalla Corea. Negli Stati Uniti, diverse organizzazioni dispongono di dispositivi e biochip russi: i Centri per il controllo delle malattie, la Food and Drug Administration e un ospedale in Arkansas che cura la tubercolosi tra i migranti. "Non vendiamo i nostri biochip all'estero, ma li trasferiamo nell'ambito di progetti scientifici", sottolinea Victor Barsky. Per i biochip si sono aperte prospettive del tutto inaspettate: non molto tempo fa la NASA si è interessata alla possibilità di utilizzarli per rilevare la vita extraterrestre.

Naturalmente i biochip vengono prodotti anche all'estero: diverse aziende biotecnologiche negli USA (Affymetrix, Clontech, Motorola, ecc.), in Giappone (Hitachi, Matsushita, Fuji) e in Europa. Gli americani hanno raggiunto un numero record di sonde di DNA posizionate su una matrice: fino a decine e centinaia di migliaia. I biochip domestici hanno un numero relativamente piccolo di cellule con sonde: da 1000 a 4000. Ma per la diagnosi di qualsiasi gruppo di malattie questo è abbastanza. Grazie alla semplicità, è stato possibile ridurre il prezzo e semplificare l'analisi. "Il prezzo di un'analisi con un biochip russo è di 500 rubli", dice Dmitry Gryadunov, "e negli Stati Uniti un'analisi costa 2.000 dollari. Pertanto, i nostri biochip, a differenza di quelli stranieri, sono adatti per un uso di massa".

Negli ultimi anni i biochip hanno suscitato interesse anche in Russia. Il progetto Biochips ha ricevuto un contratto governativo con l'Agenzia federale per la scienza e l'innovazione (Rosnauka) come parte dell'area prioritaria Sistemi viventi.

UN LABORATORIO A MISURA DI TIMBRO

Il biochip è organizzato come segue. Sul substrato della matrice sono presenti numerose cellule con idrogel (con un diametro di circa 100 micron, per cui possono essere ospitate fino a mille cellule per centimetro quadrato). Le cellule contengono molecole sonda: a seconda dello scopo del biochip, queste possono essere frammenti di DNA, RNA o proteine. Ogni cella è un analogo di un microtubo in cui avviene una reazione tra le molecole della sonda e le molecole del campione da testare. Se queste molecole si incastrano come la chiave di una serratura, si verifica la cosiddetta ibridazione: le molecole sono collegate da legami chimici. La cella in cui è avvenuta la reazione diventa fluorescente (perché il campione è pretrattato con un'etichetta luminosa). In uno speciale dispositivo analizzatore chiamato "chip-detector", la configurazione di punti luminosi mostrerà quali mutazioni sono presenti nelle cellule del paziente, rileverà batteri e virus e rivelerà le forme genetiche dei microrganismi - gli agenti causali della malattia.

COME SONO FATTI I BIOCHIP

I biochip possono essere realizzati in vari modi. L'azienda americana Affymetrix, leader in questa direzione, li produce allo stesso modo dei chip elettronici (si trova nella Silicon Valley in California). Secondo questa tecnica, i frammenti di DNA - sonde - vengono costruiti direttamente su una lastra di vetro mediante fotolitografia. È l'alto livello di sviluppo della microelettronica che ha permesso di ottenere risultati così impressionanti: decine e centinaia di migliaia di sonde su un singolo biochip.

Il RAS dell'IMB utilizza un approccio diverso. I frammenti di DNA vengono sintetizzati separatamente e quindi applicati al substrato in un ordine rigorosamente definito. Questo lavoro viene eseguito da robot controllati da computer. Su un chip domestico vengono posizionate da 100 a 4000 sonde.

ULTIMI RISULTATI

I campi di applicazione dei biochip si ampliano ogni anno. Ecco solo i più interessanti.

BIOCHIP PER L'ESERCITO

Gli specialisti della Northwestern University negli Stati Uniti hanno sviluppato un biochip per l'esercito americano in grado di rilevare la contaminazione batterica dell'ambiente. Se il DNA di microbi patogeni vi arriva, allora si allineano frammenti di sonde di DNA con microscopiche particelle d'oro attaccate ad esse. Una corrente scorre tra gli elettrodi e il biochip segnala una minaccia.

BIOCHIP PER GLI ATLETI

Un biochip che consente di determinare l'effetto dell'allenamento sul corpo degli atleti è stato inventato dall'azienda spagnola Sabiobbi. Esamina contemporaneamente 17 geni associati alle capacità fisiche e metaboliche del corpo. I risultati delle analisi possono essere correlati ai carichi che l'atleta sperimenta durante l'allenamento e il programma può essere adattato. Questa invenzione, ritengono gli autori, eviterà casi di morte prematura dovuta a sovraccarico fisico.

BIOCHIP PER GLI AGENTI DI POLIZIA

I chip biosensori basati su nanoparticelle magnetiche e sensori magnetici ultrasensibili rispondono al legame di determinate biomolecole di un campione mediante sonde sulla superficie delle nanoparticelle. Gli sviluppi avanzati in questo settore appartengono ai laboratori di ricerca Philips. Un tale biosensore è in grado di rilevare tracce di morfina nella saliva in 1 minuto - 10 nanogrammi per millilitro.

BIOCHIP PER I MEDICI

L'azienda farmaceutica svizzera Roche ha iniziato a fornire al mercato americano il primo biochip al mondo, con l'aiuto del quale un medico può determinare in anticipo quanto sarà efficace un determinato farmaco per un determinato paziente e quali reazioni avverse potrà provocargli. Il biochip si basa su una tecnologia sviluppata dall'azienda americana Affymetrix. Il biochip analizza le mutazioni di due geni che svolgono un ruolo importante nell'assimilazione di circa un quarto di tutti i medicinali venduti, come gli antidepressivi e i farmaci che riducono la pressione sanguigna.

BIOCHIP PER GLI ASTRONAUTI

Gli specialisti del Marshall Space Center degli Stati Uniti stanno sviluppando la tecnologia dei biochip con componenti elettronici. Un chip di questo tipo può rilevare batteri, proteine, DNA e, secondo la NASA, sarà utile per due tipi di lavoro. In primo luogo, in futuro sistemi automatizzati cercheranno segni di vita su Marte e su altri pianeti. E in secondo luogo, come parte del sistema di sicurezza dei futuri veicoli spaziali con equipaggio marziano e delle stazioni di ricerca, per trovare contaminazione biologica, possibilmente di origine ultraterrena, all'interno dei locali abitati.

Eseguito da uno studente del gruppo BMI-107 Bubyakina O.V.

Biochip diagnostici

introduzione

I microchip biologici sono una delle aree sperimentali in più rapido sviluppo della biologia moderna. Esistono due tipi principali di biochip. Il primo tipo sono micromatrici di vari composti, principalmente biopolimeri, immobilizzati sulla superficie del vetro, in microgocce di gel, in microcapillari. Un altro tipo di biochip sono i "microlaboratori" miniaturizzati. L'efficienza dei biochip è dovuta alla possibilità di eseguire in parallelo un gran numero di reazioni e interazioni specifiche di molecole di biopolimeri, come DNA, proteine, polisaccaridi, tra loro e con ligandi a basso peso molecolare. È possibile raccogliere ed elaborare un'enorme quantità di informazioni biologiche sui singoli elementi del biochip in esperimenti paralleli abbastanza semplici. Questa è la fondamentale somiglianza informativa dei biochip con i microchip elettronici. Tuttavia, ci sono anche una serie di differenze fondamentali tra loro.

Cos'è un biochip?

I microchip biologici sono una raccolta di cellule situate sulla superficie del vetro o della plastica, una sorta di analogo in miniatura di diverse centinaia o addirittura migliaia di tubi di reazione contemporaneamente.

Le tecnologie di produzione dei chip possono essere diverse.

STORIA
"BIOCHIP RUSSO"

Non si credeva che un dispositivo in miniatura montato su un vetrino (del tipo su cui solitamente viene posto un preparato per l'esame al microscopio) potesse sostituire un intero laboratorio diagnostico. Ma lo è davvero!. Come i chip elettronici, i biochip elaborano una grande quantità di informazioni utilizzando l’analisi parallela. In poche parole, su un chip vengono eseguite contemporaneamente molte, fino a diverse centinaia, di tutti i tipi di analisi. Ancora più sorprendente è la storia dell'origine del biochip, che è un prodotto prettamente nazionale, non a caso all'estero viene ancora chiamato "biochip russo". Tutto iniziò alla fine degli anni '80 del secolo scorso, quando un team di scienziati dell'Istituto di biologia molecolare dell'Accademia russa delle scienze (IMB), guidato dall'accademico Andrei Mirzabekov, nel 2003, intraprese la produzione di un analizzatore universale in miniatura . L’idea, ovviamente, era già nell’aria. Ma solo gli specialisti sono riusciti a dare vita a questa idea.

Come ha detto Andrei Mirzabekov, a quel tempo il mondo intero era affascinato dal processo di decifrazione del genoma umano e lui e i suoi colleghi hanno proposto di utilizzare i biochip per questo scopo. Ma ben presto si sono resi conto che i nuovi dispositivi potevano essere utili per risolvere una serie di problemi pratici, quindi si sono affrettati a fare il passo successivo: sviluppare la tecnologia. E ci sono riusciti! I biochip hanno iniziato la loro marcia vittoriosa in tutto il mondo. A metà degli anni '90, quando i finanziamenti alla scienza russa furono quasi completamente interrotti, l'accademico Mirzabekov fu invitato all'Argonne National Laboratory degli Stati Uniti. Ha dichiarato che avrebbe lavorato a Chicago solo se fosse stato creato un gruppo di ricerca congiunto, che includesse specialisti sia americani che russi. È così che i biologi molecolari russi sono riusciti a sopravvivere agli "allegri anni '90", i più difficili per la scienza russa. Durante il loro lavoro negli Stati Uniti, hanno ricevuto più di 10 brevetti. Con il denaro guadagnato acquistarono attrezzature e crearono un laboratorio completo presso l'IMB.

ATTACCO ALLA TBC

Il primo oggetto di approvazione del nuovo metodo fu la tubercolosi. Ogni anno circa 30 milioni di persone nel mondo ne vengono infettate e circa 2 milioni ne muoiono. Una situazione particolarmente difficile con la tubercolosi si è sviluppata in Russia, dove negli anni '90, a causa di numerosi problemi sociali, gli agenti causali della tubercolosi - i micobatteri o, come vengono anche chiamati, i bacilli di Koch, sono mutati, diventando immuni ai farmaci tradizionali. Ad oggi si conoscono circa 40 ceppi mutanti. Nell'approccio tradizionale, dopo che a un paziente è stata diagnosticata la tubercolosi mediante raggi X, viene trattato con i cosiddetti farmaci di prima linea, che includono rifampicina e isoniazide. Parallelamente, viene effettuato uno studio microbiologico dell'agente patogeno per stabilirne la sensibilità a questi farmaci. Ci vogliono dai due ai tre mesi. E quando si scopre che questi farmaci non funzionano su questa forma di micobatteri, il paziente ha assunto per diversi mesi farmaci non necessari e, per di più, dannosi, essendo riuscito a trasmettere la forma di tubercolosi resistente ai farmaci a tutti quelli con cui è entrato contatto con. Naturalmente, i medici hanno ancora in magazzino farmaci di seconda linea, ma a loro può succedere la stessa storia. Pertanto, una diagnosi rapida e accurata della tubercolosi è molto, molto importante. Se si utilizzano i biochip, la diagnosi può essere fatta in meno di un giorno. Il DNA viene isolato dal campione di un paziente e viene eseguita una reazione a catena della polimerasi (PCR) per moltiplicare ripetutamente una sezione del DNA in cui possono verificarsi geni mutati di resistenza agli antibiotici. La successiva analisi su un biochip aiuterà a determinare da quale delle dozzine di ceppi mutanti di tubercolosi è infetto il paziente. Ma questi biochip magici dovevano ancora essere creati. Nel 2004, il lavoro degli scienziati dell'IMB è stato coronato dal successo: è stata certificata la diagnostica tramite biochip. Oggi vengono prodotti due tipi di dispositivi: per rilevare la sensibilità dei micobatteri ai farmaci di prima e di seconda linea

tuttofare

I biochip vengono prodotti per diversi scopi. Per identificare gli agenti patogeni dell'influenza A, tra cui l'influenza aviaria, l'herpes, l'epatite B e C, varie infezioni nelle donne in gravidanza e nei neonati, per determinare la predisposizione alle malattie cardiovascolari. E c'è chi può servire ai criminologi, perché determinano il sesso e il gruppo sanguigno. Gli scienziati stanno lavorando su biochip per rilevare stafilococchi, colera, difterite, tossine del tetano, antrace e agenti patogeni della peste e varietà del virus del vaiolo.

UN LABORATORIO A MISURA DI TIMBRO

1. Raccolta del campione analizzato.
2 Elaborazione del campione.
3 Esempio di interazione
con sonde a microchip biologico immobilizzate.
4 Analisi del biochip dopo l'interazione. Il modello di distribuzione della luminescenza delle cellule del microchip è una caratteristica individuale del campione analizzato.
Il programma di controllo controlla l'esperimento ed elabora i dati in tempo reale e li visualizza sullo schermo del monitor.

Medici del Centro russo di ricerca sul cancro dal nome N.N. Blokhin, insieme ai colleghi di Nizhny Novgorod, ha sviluppato un sistema di test unico per la ricerca immunocitochimica. Può sostituire un intero laboratorio, non ha analoghi al mondo e ha ricevuto voti alti dai principali oncologi giapponesi. Con l'aiuto di questa innovazione è possibile determinare la presenza o l'assenza di una neoplasia maligna in un paziente alla prima visita in clinica. Il sistema di test è pensato in modo tale da poter essere implementato facilmente e rapidamente in tutto il paese.

La novità si chiamava "Biochip". È stato il risultato di un lavoro congiunto a lungo termine del Centro russo per la ricerca sul cancro. N.N. Blokhin, l'Accademia medica di Nizhny Novgorod e l'Istituto di epidemiologia e microbiologia. IN. Blokhin.

Il biochip è uno sviluppo fondamentalmente nuovo, - ha detto a Izvestia uno degli autori del sistema di test, capo del laboratorio di citologia clinica del Centro russo per la ricerca sul cancro intitolato a Izvestia. N.N. Blokhin, oncocitologa Marina Savostikova. - Nel 2016 abbiamo registrato un sistema di test in Russia per scopi scientifici e abbiamo ricevuto un brevetto internazionale. I colleghi giapponesi si sono interessati al biochip. Alla fine del 2016 hanno firmato con noi un accordo sul trasferimento dello sviluppo ai paesi della regione Asia-Pacifico.

Il sistema di test è progettato per diagnosticare qualsiasi processo maligno: cancro, melanoma, linfoma. È esso stesso un biochip, uno scanner per la digitalizzazione dei risultati e un mezzo di trasporto e nutrimento per la conservazione del biomateriale.

Un biochip è un substrato diviso in 15 cellule in cui vengono introdotti vari anticorpi. Il biomateriale prelevato da un paziente per l'analisi (fluido corporeo patologico o punteggiato da una neoplasia) deve essere trattato in una centrifuga standard, disponibile in qualsiasi laboratorio, e quindi introdotto nelle cellule dove, quando riscaldato a 37 gradi, avviene una reazione. Per visualizzare la reazione, agli anticorpi sono state aggiunte etichette fluorocromiche. Quando l'antigene di una cellula tumorale reagisce con un anticorpo, la cellula si illumina. Grazie a questo bagliore è possibile determinare immediatamente se nel campione sono presenti o meno cellule tumorali.

Questo è un metodo di immunocitochimica fluorescente, - ha spiegato Marina Savostikova. - La reazione è quasi istantanea. La tecnologia consente analisi tre volte più veloci rispetto al metodo standard e tre volte più economiche. È possibile condurre uno studio nelle condizioni di qualsiasi clinica in cui il paziente si è rivolto con qualsiasi reclamo.

Nonostante il fatto che con l'aiuto di un biochip sia possibile distinguere una neoplasia maligna da una benigna, i medici non suggeriscono di controllare in questo modo tutti di fila per il cancro. Per l'analisi vengono prelevati fluidi o cellule di tessuto patologico ottenuti mediante puntura.

Ad esempio, un paziente è andato dal terapista lamentando gonfiore al collo, spiega Marina Savostikova. - Può essere una comune linfoadenite, una cisti del collo, una reazione allergica a una puntura d'insetto, un sarcoma dei tessuti molli del collo. E se un paziente ha del liquido nei polmoni, la causa potrebbe essere la tubercolosi, la polmonite, le metastasi del cancro, il mesotelioma. Con l'aiuto del nuovo sistema di test possiamo escludere tutto questo e dare consigli ai medici dove cercare il problema.

Per l'introduzione diffusa di questo metodo diagnostico, non è necessario impiantare oncocitologi nel laboratorio di ciascun policlinico. È solo necessario dotare ogni laboratorio di biochip e scanner. È auspicabile che disponga di una fornitura di provette con un mezzo di trasporto nutriente (TPS). Questo è anche lo sviluppo degli autori del progetto. Il TPS è una provetta con tappo ermetico in cui viene introdotto un biomateriale. Il tubo contiene conservanti che inibiscono la crescita dei microbi. In questo ambiente, il biomateriale può essere conservato senza frigorifero fino a un mese.

Il chirurgo del policlinico o dell'ospedale deve effettuare una puntura e introdurre il materiale patologico nel TPS e quindi nel biochip. Successivamente, posiziona il sistema di test nello scanner, che invierà l'immagine allo specialista del centro di riferimento.

Abbiamo già lanciato la produzione su piccola scala di biochip, - ha detto un altro autore del progetto, il direttore della centrale nucleare "Biochip" Svyatoslav Zinoviev. - Si trova a Nizhny Novgorod. Abbiamo realizzato da zero apparecchiature per la stampa automatizzata di biochip, poiché non esistono analoghi al mondo e quindi non esistono soluzioni progettuali adeguate. Gli scanner secondo il nostro ordine e mandato vengono prodotti anche dall'impresa Nizhny Novgorod.

Secondo Svyatoslav Zinoviev, la produzione di scanner è una sostituzione delle importazioni. Il costo totale di ciascun dispositivo sarà 10 volte inferiore rispetto alla controparte importata. Gli scanner hanno superato i test di laboratorio e ora gli sviluppatori stanno presentando i documenti per la registrazione.

Il biochip è installato in uno scanner che digitalizza l'immagine e la invia al centro di riferimento regionale. Lì, citologi con una vasta esperienza guardano l'immagine, analizzano il materiale ottenuto a distanza e restituiscono la conclusione. Il paziente alla seconda visita dal medico riceve una diagnosi accurata e l'opportunità di iniziare il trattamento. Tutti i casi complessi che i citologi regionali non sono riusciti a interpretare saranno presi in considerazione dal consiglio del Centro russo per la ricerca sul cancro. N.N. Blokhin. La comunicazione con il principale centro di riferimento è organizzata attraverso un sistema informativo e analitico, la cui realizzazione è inclusa nel progetto.

È molto importante fare una diagnosi il più presto possibile. Per un malato di cancro, questi termini sono la vita. Nell’era delle tecnologie mirate si cura l’oncologia. Ora il limite di sopravvivenza di cinque anni è la norma. Ci sono tumori dai quali non muoiono più. Ad esempio, questo è un tumore della tiroide, - ha detto Marina Savostikova.

Secondo Svyatoslav Zinoviev, la diagnostica con il nuovo sistema di test può essere gratuita per i pazienti, perché la ricerca immunocitochimica è inclusa negli standard dell'assicurazione medica obbligatoria (CHI).

Nizhny Novgorod, Cheboksary, San Pietroburgo, Yaroslavl, Rostov sul Don, Krasnodar e altre regioni hanno già annunciato la loro disponibilità a lavorare secondo il nuovo schema. Abbiamo comunicato con citologi, direttori e primari dei dispensari di oncologia, rappresentanti dei ministeri di alcune regioni e ovunque ci siamo incontrati con grande interesse, - ha detto Svyatoslav Zinoviev.

Ora i creatori del biochip attendono la conclusione di Roszdravnadzor, senza la quale è impossibile avviare la produzione di massa.

Per non perdere tempo, abbiamo già iniziato a formare gli specialisti che lavoreranno con il nuovo sistema, - precisa Marina Savostikova. - I citologi verranno formati con noi, supereranno gli esami e riceveranno certificati. E solo dopo potranno interpretare autonomamente i risultati ottenuti sul biochip.

Con un verdetto positivo da parte di Roszdravnadzor, i partecipanti al progetto promettono una rapida attuazione del progetto. La scadenza effettiva è aprile 2017.

Gli esperti-oncologi confermano la necessità di un'introduzione di massa di questo tipo di diagnostica.

L’idea di un biochip non è nuova. Sistemi simili vengono creati nel nostro istituto, ma finora li usiamo solo per diagnosticare la leucemia, - Alexey Maschan, vicedirettore generale - Direttore dell'Istituto di ematologia, immunologia e tecnologie cellulari dell'Istituto statale di bilancio "FNKTs DGOI dal nome Dmitry Rogachev" del Ministero della Salute russo, ha detto a Izvestia. - In effetti, esiste un problema con la disponibilità della diagnostica nelle regioni remote e tali sviluppi possono risolverlo. Il vantaggio della diagnostica tramite biochip è il suo pragmatismo: a fronte della carenza di finanziamenti per le istituzioni mediche, un tale sistema di test può risolvere alcuni dei problemi. Ma solo se ha resistito al confronto con i metodi diagnostici classici.

Secondo l’oncologo capo del Ministero della Salute tali sistemi vanno replicati, e non solo nel nostro Paese.

Questo è un sistema di test davvero unico per determinare eventuali processi maligni e finora non ha analoghi in nessuna parte del mondo, - ha detto a Izvestia Mikhail Davydov, capo oncologo del Ministero della sanità russo, accademico dell'Accademia delle scienze russa. - Questa è una decisione importante nel campo della diagnostica del cancro, che deve essere replicata e mostrata non solo ai colleghi nazionali, ma anche a quelli stranieri.