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"
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.
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.
"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.
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
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.
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.
Доклад нижегородских ученых по экспресс-диагностике онкологии с помощью биочипа признается лучшим в секции «Цитология» на 29-ом Европейском конгрессе по патологии! – после этих слов поздравлять россиян бросились коллеги из Италии , Хорватии , Турции , Германии … Оно и понятно – попасть в число лучших на этом конгрессе - все равно, что получить Оскар в кинематографе. Ежегодно за это право в Амстердаме борются главные медицинские светила со всего света.
Разработкой этого биочипа мы занимаемся с 2012 года, но свой нынешний вид он приобрел только пару лет назад, когда появился инвестор, - рассказывает один из авторов проекта, руководитель лаборатории молекулярной биологии и биотехнологии ННИИ им. Блохиной Олег Уткин . – Аналогов этой тест-системе нет нигде в мире, достоверность диагноза составляет 95%.
То, что в стенах нижегородского института идет разработка уникальной технологии, сразу и не скажешь. Ни тебе секретных паролей на входе, ни автоматчиков на охране. Из всех мер предосторожности - только бахилы и обязательный белый халат на входе в лабораторию.
Вот это и есть наш биочип, - показывает мне Олег крохотную, едва различимую на ладошке стеклянную пластинку. Глядя на эту крошку, с трудом верится, что она способна выявить практически любой вид рака всего за полтора часа. За эту технологию многие президенты отдали бы полцарства и дочку в придачу.
Принцип действия этой системы прост: берем любой биоматериал - серозную жидкость, мочу или послеоперационный материал – и вносим в ячейки биочипа. Всего в чипе 15 секторов, в каждом из которых содержится помеченный флуоресцентным раствором белок. Если будут выявлены какие-то признаки онкологии, то клетки в ячейке покажут свечение под флюоресцентным микроскопом.
Кстати, в отличие ото всех остальных методов диагностики, биочип не только просигнализирует о самом факте онкологического заболевания, но и определит его разновидность и где есть метастазы, - тем самым поможет врачу дать прогноз по течению болезни и по подбору персональной терапии. На сегодняшний день тест-система способна диагностировать едва ли не все виды рака: легких, молочной железы, желудка, толстой кишки, яичников… В зависимости от подозреваемой разновидности онкологии будет меняться и набор белков в биочипе.
Сейчас существует восемь разновидностей таких тест-систем - от обычной скрининговой, которая просто выявляет наличие онкологии, до заточенных под каждую патологию, - объясняют разработчики. – Что самое главное – для проведения исследований не нужно ни дорогущих лабораторий, ни огромного штата высококвалифицированных врачей. Внести биоматериал в нашу тест-систему может любой лаборант, после чего врач-онколог уже может сделать заключение.
За эту разработку ученым уже вручили национальную премию "Призвание". ФОТО: Пресс-служба НижГМА
Эти биочипы просты не только в эксплуатации, но и в производстве. В небольшой лаборатории ежедневно можно делать тысячи таких систем. Отсюда и их дешевизна – один такой чип поликлинике будет стоить чуть больше тысячи рублей. А для самого пациента диагностика и вовсе будет бесплатной – она должна войти в систему ОМС.
Мы уже получили все необходимые патенты – российский и зарубежный, - рассказывает Олег Уткин. – Но чтобы биочипы поступили в поликлиники, нам необходимо регистрационное заключение Росздрава. Надеемся в самое ближайшее время получить и его. После этого буквально за пару месяцев сможем запустить массовое производство.
Со своей стороны российский Минздрав вручил нижегородским разработчикам престижную национальную премию «Призвание», присуждаемую лучшим врачам России , в номинации «За создание нового метода диагностики».
СПРАВКА «КП»
В разработке биочипа принимают участие ведущие ученые трех российских исследовательских центров: ФБУН «ННИИЭМ им. академика И.Н. Блохиной», ФГБУ «РОНЦ им. Н.Н. Блохина», ФГБОУ ВО «НижГМА». Этой технологией уже заинтересовались ученые из России, Японии , Швейцарии , Китая , Беларуси , Казахстана и Армении .
