Биочипы в биологии и медицине xxi века. Диагностические биочипы Биочип для выявления раковых клеток

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.

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?

Каждый из нас проходил обследования в клиниках и имеет представление о том, как много времени и сил они отнимают. Сдавать кучу анализов, литры крови, далее терпеть недельное ожидание, чтобы врачи успели в своих лабораториях проверить наши пробирки на наличие бактерий и вирусов. Однако, в скором времени все может в корне измениться, и обследования больше не будут пугать людей. Что поможет проводить диагностику всех заболеваний в разы быстрее?

Около двадцати лет назад была разработана технология биологических чипов . Данная разработка принадлежит Институту молекулярной биологии им. Энгельгардта. Можно сказать, что в течение всех этих двадцать лет разработка пылилась на полках и ей никто не занимался. Но сейчас ученые решили вновь возобновить работу над чипами и в ближайшем будущем собираются изготовить целую серию чипов. Главное преимущество технологии в сравнении с привычными для нас процедурами сдачи анализов – это оперативность.

Есть ряд заболеваний, на диагностирование которых даже у лучших врачей уходит несколько недель. Например, чтобы выявить возбудителя туберкулеза, понять, какие лекарства необходимо выписать пациенту, доктора могут потратить даже десять недель, а это огромный срок для больного организма. Все это время пациент лежит в больнице, принимает препараты, которые не дают стопроцентной гарантии того, что они помогут организму. Для одних больных эти препараты подходят, другим же они не приносят никакой пользы. В итоге человек может потратить масса денег на лечение и обслуживание в стационаре, при этом должного лечения он не получит. Лишь один пример говорит о том, насколько сейчас печальная ситуация в медицине.

Внедрение Биологических чипов

Биологические чипы – это возможность проведения анализа здоровья больного не более чем за 24 часа. Они станут не только прекрасной экономией времени и денег для пациента, но и помогут даже всей медицине в стране с экономить значительную часть бюджета. Внедрение данной технологии – это огромное вложение в медицинскую сферу и в экономию денежных средств страны. Есть даже официальные цифры, говорящие о том, что всего за год государство может разумно сэкономить 5 миллиардов рублей благодаря биочипам.

Экономия для пациента основана на том, что ему не придется тратиться на огромное количество анализов, чтобы проверить весь свой организм на наличие заболевание. Один из кандидатов химических наук заявил, что всего лишь благодаря одному анализу с использованием новой технологии пациент сможет проверить свой организм на наличие восьми маркеров онкологических заболеваний. Причем по сегодняшним данным чип способен с 90% вероятностью точно выявлять болезнь и диагностировать ее верным образом. Сейчас человеку нужно отдать около семи тысяч рублей, чтобы сдать анализы на все распространенные онкозаболевания. С чипом пациент потратил бы не более тысячи рублей. Взять тот же туберкулез – после внедрения технологии пациенту понадобится около пятисот рублей, чтобы пройти обследование на наличие данной заболевании. Отметим, что за рубежом стоимость одного чипа составляет около двух долларов.

Микробиологи провели свои исследования и заявили, что с помощью технологии действительно есть все шансы диагностировать огромное количество заболеваний за короткий период времени. Например, чип позволяет выявить многие виды лейкоза, ВИЧ, гепатит B и C, несколько видов гриппов, герпес и многие другие болезни. Анализы будут готовы уже через пару часов после проведения обследования. Если есть шансы возникновения эпидемии, использование биочипов сыграет важную роль в медицине за счет своей оперативности.

Менее чем за сутки у специалистов будет возможность оценить риски опасности, которые относятся к тем или иным вирусам. Они смогут определить также уровень пандемичности. И это уже доказано. Кандидат биологических наук Грядунов заявил, что многие в момент появления гриппа H1N1 ужасно его боялись, хотя, на самом деле, огромной опасности для человека он не представлял, поскольку его белковая оболочка была крайне уязвима. В случае с птичьим гриппом нет шансов возникновения эпидемии ввиду того, что от одного человеческого заболевания к другому он передаваться не может.

Светлая метка

Конструкция чипов не так сложна. Есть миниатюрная пластинка, на которую прикрепляют матрицу. В матрицу входят множество ячеек. Их размер не превышает ста микрон. Всего лишь на одном квадратном миллиметре матрицы может поместить несколько сотен ячеек. Их можно сравнить с маленькими пробирками.

Александр Чудинов, который лично участвует в разработке биологических микрочипов, заявил, что основа технологии – это особо свойство молекул ДНК. Это двойная спираль, которая строится с помощью 2-ух полимерных цепей. Принцип построения – комплементарный.

Ученым необходимо самостоятельно создавать одну цепь отрезка ДНК, можно заняться созданием и олигонуклеотида. Самое главное, учитывать правильную последовательность построения цепи. Та последовательность, которая образуется после мутации, выявляющей болезнь, является правильной. Данные отрезки ученым необходимо привязать к ячейке чипа. Далее матрицу необходимо поместить в специальный корпус, где она будет герметично защищена. Остается сделать работу лаборанту – провести грамотный анализ. В качестве образца может выступать ДНК вирус, взятый из крови или слюны. Возможно ли изучение ДНК конкретно больного? Конечно, если будет, например, генетическая предрасположенность к той или иной болезни, ее удастся выявить за несколько часов. Есть даже шансы диагностировать индивидуальную переносимость определенных болезней.

Работа лаборанта заключается в следующем. Полученный образ нужно отправить в пробирку, после в нее добавить еще несколько ферментов и нуклеотиды (ряд нуклеотидов помечают флуоресцентным веществом).

В итоге начинается реакция синтеза. Это приводит к значительному увеличению количества ДНК отрезков. И что самое главное, у каждого отрезка будет флуоресцентный маркер. Теперь «готовую» пробу заливают в чип. В случае наличия последовательностей, в которых есть мутации, образуется их связь с отрезками. У этих отрезков до этого момента были изменены последовательности. В результате последовательности окрашивают нужную ячейку маркером.

На этом работа не заканчивается, ведь нужно еще позаботиться об обработке чипа определенным растворам. После этой процедуры его отправляют в специальное считывающее устройство. Его называют флуоресцентным анализатором, работающим с помощью компьютера. Теперь к работе приступает программа. Она проводит анализ картины светящихся ячеек, благодаря чему появляется информация конкретно о тех отрезках ДНК, которые получили изменения. В итоге у специалиста есть данные касаемо того, какие гены изменились, какие заболевания у пациента есть, что за бактерии и вирус поражают его организм.

Формат ячеек – трехмерный. И это на руку ученым, поскольку есть возможность использования огромного количества отрезков ДНК. Чем больше отрезков, тем выше процент точности результатов анализа. Сегодня есть даже специальные 3D-ячейки, в которые можно отправить молекулы и быть уверенными, что они потеряют свои биологические свойства. Для этого был создан гидрогель, который способен сохранять свойства. Гидрогель можно сравнить с средой, в которой обитают молекулы в биологических структурах, различий очень мало. Благодаря таким разработкам биочипы могут работать в течение 12 месяцев . В плане транспортировки их не возникает никаких вопросов – условия особо критичные технологии не требуются.

Как сейчас обстоят дела с технологией?

Пока биочипов в клиниках не встретишь, поскольку работа только на этапе клинических испытаний. Диагнозам чипов слепо не доверяют – их сверяют с привычными для нас методами выявления болезней. Тем не менее, все микробиологи уверены, что за биочипами стоит будущее, нужно лишь уделить достаточно внимания этой технологии.

Отметим, что в 2016 году многие исследования были направлены в сторону борьбы с болезней Альцгеймера. Также активно изучалась шизофрения, алкоголизм. Было уделено внимание и разработке диагностического теста-системы, основа которой заключается именно в использовании биочипов , способных выявить предрасположенность к вышеперечисленным болезням.

Нельзя сказать, что чипы – это разработка, которую кроме как в здравоохранении нигде больше нельзя будет применять. Даже правоохранительные органы проявили интерес к биочипам. Специально для этой области были разработаны специальные чипы, справляющиеся с идентификацией двадцати трех маркеров. Это большое количество, поскольку его достаточно для определения десятков тысяч различных вариантов генома человека. Грубо говоря, чип будет давать информацию высокой точности касаемо того, способен ли человек совершить то или иное преступление. Для теста понадобятся исключительно биологические образцы, в роли которых может выступать слюна, волос и т.д.

Естественно, пока следственные действия не проводятся с использованием чипа, поскольку пока не доказано, насколько точную и правдивую информацию он дает. Но ученые заявляют, что использование данной технологии крайне благоприятно скажется на развитии области правоохранительных органов. Что можно сказать в итоге? До эпохи, которая раньше казалось фантастической в молекулярной биологии, осталось совсем недолго.

Биологический микрочип, биочип (biochip, греч. bio(s) - жизнь и logos - понятие, учение; греч. mikros - маленький и англ. chip - осколок) - пластинка-носитель, на которой в определенном порядке расположены многочисленные ячейки (до несколько десятков тыс.) с различными иммобилизованными в них одноцепочечными олигонуклеотидами или олигопептидами, каждый из которых способен избирательно связывать определенное вещество, содержащееся в сложной смеси в анализируемом растворе. Биочип используется для молекулярно-генетических исследований, диагностики различных заболеваний человека, экспресс-диагностики высокопатогенных вирусов, а также в ветеринарии, сельском хозяйстве, криминалистике, токсикологии, охране окружающей среды. Первая работа по биочипам в современном формате (с фрагментами ДНК) была опубликована А. Д. Мирзабековым с сотр. в 1989 г.

Биологические микрочипы (biochips), или, как их чаще называют, DNA microarrays, - это один из новейших инструментов биологии и медицины XXI в. В настоящее время они активно производятся несколькими биотехнологическими фирмами. Биочипную технику можно с успехом применять как для исследовательских целей, так и для диагностики в медицинских учреждениях.

С помощью микрочипов можно проводить одновременный анализ работы тысяч и десятков тысяч генов, сравнивать их экспрессию. Такие исследования помогают создавать новые лекарственные препараты, выяснять, на какие гены и каким образом эти новые лекарства действуют. Биочипы являются также незаменимым инструментом для биологических исследований, за один эксперимент можно увидеть влияние различных факторов (лекарств, белков, питания) на работу десятков тысяч генов.

Биочипы позволяют очень быстро определять наличие вирусных и бактериальных возбудителей. Важное медицинское применение биочипов - это диагностика лейкозов и других вирусных заболеваний. Биочипы позволяют быстро, за считанные дни или даже часы различать внешне неразличимые виды лейкозов. Биочипы применяются для диагностики различных видов раковых опухолей .

Прообразом современных "живых чипов" послужил саузерн-блоттинг , изготовленный в 1975г. Эдом Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности среди фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать биочипы в конце 1980-х годов в Институте молекулярной биологии РАН под руководством А.Д.Мирзабекова.

Точнее всего биочипы описывает английское название DNA-microarrays, т.е. это организованное размещение молекул ДНК на специальном носителе. Профессионалы называют этот носитель платформой. Платформа - это чаще всего пластинка из стекла (иногда используют и другие материалы, например кремний), на которую наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94%), т.е. матрицы, несущие молекулы ДНК. Оставшиеся 6% составляют белковые чипы.

Организованное размещение макромолекул занимает на платформе очень небольшой участок размером от почтовой марки до визитной карточки. Микроскопический размер биочипа позволяет размещать на небольшой площади огромное количество разных молекул ДНК и считывать с этой площади информацию с помощью флюоресцентного микроскопа или специального лазерного устройства для чтения ( рис. 2.50).

Характерные размеры ячеек современных микрочипов лежат в пределах 50-200 мкм, общее число ячеек на чипе составляет 1000-100000, а линейные размеры чипа - порядка 1 см. В поверхностных матричных биочипах ДНК иммобилизуется на поверхности мембран или пластинок из стекла, пластика, полупроводника или металла. В гелевых биочипах ДНК иммобилизуется в слое полиакриламидного геля толщиной 10-20 мкм, нанесенного на специально обработанную поверхность стекла. Также чипы могут наращиваться прямо из стеклянной пластинки методом фотолитографии с использованием специальных микромасок. Иммобилизуемая ДНК наносится на поверхность или через игольчатые растры (пины) механического робота, или с помощью технологии струйного принтера. Контроль качества нанесения осуществляется с помощью специализированной оптики и компьютерного анализа изображения. На биочипе в дальнейшем гибридизуют молекулы ДНК, меченные красителем.

Гибридизуемая ДНК в растворе метится с помощью флюоресцентной или радиоактивной метки. В случае смеси молекул ДНК (например, ДНК дикого типа и ДНК с мутациями) каждая метится своим флюоресцентным красителем. Свойства красителя не должны сильно зависеть от состава (A/Т или G/C) ДНК и температуры. Интенсивность флюоресценции в ячейках измеряют с помощью сканера или люминесцентного микроскопа, передающего сигнал на прибор с зарядовой связью. Однако флюоресценция является основным, но не единственным методом изучения гибридизации. В частности, данные о характере гибридизации можно получить также с помощью масс-спектрометрии, атомной силовой микроскопии и др.

В основе принципа работы всех типов биочипов с иммобилизованной ДНК лежит точное соответствие между комплементарными ДНК по правилу Уотсона-Крика: A-Т, G-С. Если соответствие между нуклеотидами иммобилизованной и гибридизуемой ДНК точно удовлетворяет условиям комплементарности, то образующиеся дуплексы будут термодинамически наиболее устойчивы. В результате при конечных температурах их будет больше, чем несовершенных дуплексов с нарушением условий комплементарности, и, соответственно, совершенным дуплексам будет отвечать более сильный сигнал флюоресценции. В выявлении и сопоставлении наиболее ярко светящихся ячеек и заключается работа прибора - анализатора биочипов.

Гибридизуемая ДНК обычно заранее нарабатывается в достаточных количествах с помощью ПЦР. В более продвинутых технологиях ПЦР осуществляется непосредственно на чипе. Кроме того, непосредственно на чипе можно осуществлять фрагментацию, фосфорилирование, лигирование ДНК или мини-секвенирование, при котором длина дуплекса увеличивается на одну пару оснований. Последнюю технику можно эффективно использовать для поиска мутаций.

На Западе и в России сейчас сформировалось два разных направления и два разных стандарта по созданию и применению биочипов. Российские биочипы дешевле, а западные - объемнее. При этом в России биочипами занимаются пока преимущественно исследовательские лаборатории, а на Западе - это, в первую очередь, военные исследования и коммерческое производство чипов для диагностики.