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.

Корреспондент телеканала «МИР 24» Ольга Климкина рассказывает о новейшей российской медицинской разработке. Речь идет о специальном биочипе, который позволит диагностировать рак за рекордно короткое время. Систему должен одобрить Росздрав, после этого тогда начнутся клинические испытания.

Российские ученые разработали специальный биочип, который позволит диагностировать рак за рекордно короткое время. Систему должен ободрить Росздрав, после этого тогда начнутся клинические испытания. Новый метод оценила корреспондент телеканала «МИР 24» Ольга Климкина.
Два года исследований, проб и ошибок. Результат — в лаборатории онкоцентра имени Блохина. Вот так выглядит биочип, и вот так выглядит транспортно-питательная среда. К ним подводят специальный сканер. Все вместе единый комплекс, который может помочь победить рак. Для Марины Савостиковой, одного из авторов разработки, это борьба не только профессиональная, но и личная. Сама дважды пережила страшное заболевание. Она знает: исход зависит от вовремя поставленного диагноза.

«Можем сказать: боже мой, у вас аденомокарценома. И у вас аденомокарценома легкого. Или, допустим, коллега, вам надо исключать колоректальный рак», — пояснила к.м.н., заведующая лабораторией ФГБУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина Марина Савостикова.

Над тем, чтобы с такой легкостью определять диагноз, трудились ученые в Москве в онкоцентре имени Блохина и Институте микробиологии и эпидемиологии и в Нижнем Новгороде в Медицинской академии. В итоге создали биочип — пластину с 15 ячейками. В каждой находятся разные антитела. Они реагирует на определенный вид рака в клетках. Плюс специальные красители, которые показывают реакцию.

«В данный момент у нас плевральная жидкость от женщины 1929 года рождения и от другой женщины с карценомой яичников. Мы будем проводить их исследование на биочипах», — указывает врач.
Для постановки диагноза требуется не кровь, а выпотная жидкость, которая скапливается в больном организме. Из нее берут образцы, перемешивают, помещают в центрифугу и отбирают осадок.

«Вартексируем, перемешиваем, чтобы клеточная взвесь, которую мы наносим на биочип, имела равномерное распределение во всех ячейках», — отметила научный сотрудник ФГБУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина Елена Фурминская.
После нагреть его до 37 градусов и на суд врача под флюоресцентный микроскоп. На экране красные и зеленые пятна. Для специалиста рак выглядит именно так.

Не так страшен рак, как его малюют

«Это комплекс рака серозного яичников. Вот единичные клетки, нам их надо было подтвердить, и мы их подтвердили», — указала Марина Савостикова.
Пока это не официальный диагноз, а только результат исследований. Разработчики ждут одобрения Росздравнадзора и планируют начать клинические испытания уже в апреле. После этого биочипы могут появиться в любой российской поликлинике.

Ежегодно в России от рака умирает более 300 тысяч человек. Получается, что каждый день в стране погибает почти тысяча больных. Если у пациента выявили первую стадию, с вероятностью в 93% он выживет, пишет Российский онкологический портал.

Биочип для ранней диагностики рака

Ученые Национальной лаборатории Аргонн Исследовательского центра ядерной энергетики (г. Чикаго, штат Иллинойс) разработали биочип, позволяющий диагностировать определенные типы рака до появления его симптомов.

Компания Eprogen лицензировала эту технологию и использует для поиска новых биомаркеров рака. Опухоли, даже на самых ранних, бессимптомных стадиях, вырабатывают белки, попадающие в кровоток и запускающие иммунные реакции, в частности, синтез антител. Специалисты компании утверждают, что сравнение профилей аутоантител здоровых людей и онкологических пациентов является перспективным методом поиска ранних индикаторов заболеваний.

Используемый ими процесс, получивший название двумерное фракционирование белков, позволяет сортировать тысячи различных белков злокачественных клеток по различиям их электрического заряда и гидрофобности. С помощью этого метода исследователи получают 960 белковых фракций, которые помещают в биочип, содержащий 96-луночные пластинки. После этого биочип обрабатывают заранее известными аутоантителами, синтезируемыми иммунной системой онкологических пациентов.

Использование аутоантител больного для диагностики позволит врачам подбирать лечение согласно его индивидуальному профилю аутоантител. Уникальность нового метода заключается в том, что ученые используют реальные данные о заболевании человека для получения новой, более подробной диагностической информации, которую специалисты могут использовать для изучения и лечения рака.

По словам разработавшего технологию специалиста Национальной лаборатории Аргонн Дэниеля Шабакера (Daniel Schabacker), биочипы уже продемонстрировали большой потенциал в диагностической медицине. Кроме Eprogen, технологию лицензировали еще три компании. Одна из них, Akonni Biosystems, уже разработала на ее основе несколько десятков тестов, выпускаемых под торговой маркой TruArray. Еще одна компания, Safeguard Biosystems, лицензировала биочипы для создания ветеринарных диагностических наборов.

Например, при диагностике заболеваний верхних дыхательных путей содержащиеся в мазке из полости рта пациента антитела или ДНК связываются с нанесенными на биочип молекулами. После обработки лунки биочипа, в которых произошло такое связывание, начинают светиться. Специальная программа расшифровывает сканированное с помощью компьютера изображение, рассчитывает статистическую вероятность присутствия того или иного инфекционного агента и предоставляет информацию врачу.

Разработка диагностических средств, подобных TruArray, способна совершить революцию в диагностике, т.к. она позволяет одновременно проводить диагностику большого количества заболеваний. Одним из уникальных свойств метода является возможность одновременного тестирования на инфекции бактериальной и вирусной природы.

Проведение анализа с помощью биочипа занимает около 30 минут и обеспечивает конфиденциальность и высокую точность диагностики, т.к. врач, не выходя из кабинета, может практически на глазах пациента определить характер заболевания и стадию его развития.

У пациентов с сахарным диабетом мелкие плотные частицы Х-ЛПНП содержат гликозилированный Апо В

Charlton-Menys (University of Manchester, Великобритания) оценили степень гликозилирования различных субфракций липидов у 44 добровольцев с СД. Оказалось, что средний уровень гликозилированного Апо В составил 3,0 мг/дл, причем 84,6% гликозилированного Апо В были в составе Х-ЛПНП, а 67,8% - в составе наиболее атерогенной субфракции, а именно мелких плотных частиц Х-ЛПНП.

Уровень мелких плотных частиц Х-ЛПНП в наибольшей степени коррелирует с толщиной интима-медиа сонных артерий

Tetsuo Shoji (Osaka City University Graduate School of Medicine, Япония) с соавторами определи уровни липидов у 326 пациентов, обследованных по поводу индекса массы тела сонных артерий. Исследователи показали выраженную корреляцию уровня мелкого плотного Х-ЛПНП с толщиной интимы-медиа сонных артерий (коэффициент корреляции 0,441). Корреляция других липидов с толщиной интимы-медии оказалась следующей: аполипопротеин В (0,279), Х-ЛПНП 0,249), и триглицериды (0,175). У пациентов с высоким уровнем С-реактивного белка уровни мелких плотных Х-ЛПНП оказались ниже, чем у пациентов с низкими уровнями С-реактивного белка.

Atherosclerosis 2008; Advance online publication.

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.