Біочипи в біології та медицині XXІ століття. Діагностичні біочіпи Біочип для виявлення ракових клітин

Біочипи, створені в Інституті молекулярної біології, нікуди не вживляти.

Ці маленькі штучки можуть за один день сказати, якими ліками треба лікувати туберкульоз у даного пацієнта, розрізнити жахливий вірус пташиного грипу серед інших вірусів і показати, чи є у людини можливість захворіти на рак.

ІСТОРІЯ "Російського біочіпу"

Навіть не віриться, що мініатюрний пристрій, закріплений на предметному склі (такому, на який зазвичай поміщають препарат для розгляду під мікроскопом), може замінити цілу діагностичну лабораторію. Але це справді так! "Подібно до електронних чіпів, біочіпи обробляють великий масив інформації методом паралельного аналізу", - пояснює співробітник лабораторії біологічних мікрочіпів ІМБ Дмитро Грядунов. Простіше кажучи, в той самий час на одному чіпі проходить безліч - до декількох сотень - різноманітних аналізів.

Ще більш дивовижною є історія походження біочипу, який продукт суто вітчизняний, не випадково за кордоном його досі називають "російський биочип". Почалося все наприкінці 80-х років минулого століття, коли команда вчених з Інституту молекулярної біології РАН (ІМБ) під керівництвом академіка Андрія Мірзабекова, який пішов із життя сумно рано, в 2003 році, взялася за виготовлення універсального мініатюрного аналізатора. Ідея, звичайно, вже витала у повітрі. Але лише нашим фахівцям вдалося втілити цю ідею у життя.

Як розповідав свого часу Андрій Мірзабеков, на той час увесь світ був захоплений процесом розшифрування геному людини, і вони з колегами запропонували використати для цих цілей біочіпи. Але дуже скоро зрозуміли, що нові пристрої можуть стати в нагоді для вирішення різних практичних завдань, тому поспішили зробити наступний крок - розробити технологію. І досягли успіху в цьому! Біочипи розпочали свою переможну ходу світом.

У 90-х, коли фінансування російської науки практично повністю припинилося, академіка Мірзабекова запросили до Аргонської національної лабораторії США. Він заявив, що працюватиме в Чикаго лише тоді, коли там створять спільну дослідницьку групу, до якої увійдуть як американські, так і російські фахівці. Саме так російським молекулярним біологам вдалося пережити "веселі 90-ті", найважчі для вітчизняної науки. За час роботи у США вони отримали понад 10 патентів. На зароблені гроші закупили обладнання та створили комплексну лабораторію в ІМБ.

"Російський биочип", як його називали за кордоном, отримав зізнання. Право на використання технології купили компанії Motorola та НР, а потім зареєстрували свій патент на модифіковану технологію. У відповідь на це вчені з ІМБ розробили та запатентували досконалішу технологію.

АТАКА НА ТУБЕРКУЛЬОЗ

Першим об'єктом апробації нового методу став туберкульоз. Щорічно у світі їм заражаються близько 30 млн осіб, близько 2 млн від нього вмирають. Особливо важка ситуація щодо туберкульозу склалася в Росії, де в 90-ті роки через численні соціальні проблеми збудники туберкульозу - мікобактерії, або, як їх ще називають, палички Коха, мутували, ставши несприйнятливими до традиційних препаратів. На сьогоднішній день відомо близько 40 мутантних штамів.

При традиційному підході після виявлення у пацієнта туберкульозу рентгенологічними методами його лікують препаратами так званого першого ряду, до яких належать рифампіцин та ізоніазид. Паралельно проводять мікробіологічне дослідження збудника, щоб встановити його чутливість до цих ліків. Це триває від двох до трьох місяців. А коли з'ясовується, що ці ліки на цю форму мікобактерії не діють, хворий уже протягом кількох місяців приймав непотрібні та, більше того, шкідливі препарати, встигнувши передати лікарсько-стійку форму туберкульозу всім, з ким контактував. Звичайно, у запасі у медиків залишаються препарати "другого ряду", але й з ними може статися та сама історія. Тому швидка та точна діагностика туберкульозу дуже важлива.

Якщо використовувати біочіпи, діагноз можна поставити менш як за добу. З проби хворого виділяють ДНК і проводять полімеразно-ланцюгову реакцію (ПЛР), щоб багаторазово розмножити ділянку ДНК, на якій можуть зустрічатися гени, що мутували стійкості до антибіотиків. Подальший аналіз на біочіпі допоможе визначити, яким саме з десятків мутантних штамів туберкульозу заражений пацієнт. Але ці чарівні біочіпи треба було ще створити.

Починаючи з 1998 року вчені з ІМБ спільно із фахівцями Московського центру боротьби з туберкульозом билися над вирішенням цієї проблеми. У 2004 році їх праці мали успіх - діагностика з використанням біочіпів була сертифікована. Сьогодні випускається два види пристроїв: виявлення чутливості мікобактерій до препаратів першого і другого ряду. "Ми виробляємо 1,5-2 тис. біочіпів на місяць, а в майбутньому збираємося вийти на 3-4 тис., - розповідає Віктор Барський. - Хоча для країни потрібно не менше 2 млн. біочіпів на рік. Але це так званий неплатоспроможний попит "Наші біочіпи використовують у 8 протитуберкульозних диспансерах Росії: у Москві, Санкт-Петербурзі, Єкатеринбурзі, Новосибірську, Казані та Саратові. Зараз ми отримали замовлення на оснащення ще 10 медичних центрів". Укладено також угоду з Головним управлінням виконання покарань Міністерства юстиції про діагностику туберкульозу у в'язнів. Важливість цього рішення важко переоцінити, адже саме в російських таборах зародився лікарсько-стійкий туберкульоз і пішов збирати свої страшні жнива по світу.

БІОЧИП КИДАЄ ВИКЛИК РАКУ

Проте на цьому дослідники з ІМБ не зупинилися. Їм вдалося створити біочіпи для діагностики деяких видів раку. Біочипи цих кількох типів і працюють принципово по-різному.

За допомогою одного виду біочіпів можна, наприклад, виявити схильність до раку молочної залози, яєчників, простати та ін. - Але такі біочіпи важко сертифікувати, оскільки вони показують лише ймовірність хвороби, а людина ж, на щастя, може і не захворіти.

Інакше справа з биочипами для діагностики раку крові, лейкемії. Викликають її різні хромосомні перебудови. Зовні ці типи лейкозів не відрізняються один від одного, але лікувати їх потрібно по-різному. При одних лейкозах пацієнта можна вилікувати сучасними ліками, а за інших – не варто навіть пробувати, треба одразу робити пересадку кісткового мозку. Біочипи дозволяють відразу ж виявити, який тип хромосомних перебудов став причиною лейкемії, що дозволяє лікарю спочатку вибрати правильну стратегію лікування. Наразі біочіпи для діагностики лейкемії проходять сертифікацію. Також біочіпи дозволяють відразу ж розрізнити, якою формою раку грудей - добре виліковною або погано виліковною - страждає пацієнтка.

І, нарешті, завдяки биочипам стала реальністю мрія багатьох поколінь лікарів про діагностику раку на ранніх стадіях захворювання, коли він ще легко виліковний. В основу цієї методики покладено той факт, що при тих чи інших видах раку в крові з'являються певні білки-онкомаркери, їх діагностують біочіпи. Щоправда, для знаходження та аналізу онкомаркерів потрібні вже не ДНК-ові, а білкові біочіпи. Зондами в них є білки-антигени, які просторово відповідають білкам-антитілам у крові хворого. Втім, саме у цій галузі російські вчені не самотні. Подібні біочіпи дуже успішно виробляються і за кордоном. Вітчизняним вченим треба дуже постаратися, аби виграти у цій конкурентній боротьбі.

НА ВСЕ РУКИ МАЙСТРА

Але цим сфера застосування биочипів не обмежується. Випускаються біочіпи для різних цілей. Для виявлення збудників грипу А, у тому числі пташиного грипу, герпесу, гепатиту В та С, різноманітних інфекцій у вагітних жінок та новонароджених, для визначення схильності до серцево-судинних захворювань. А є й такі, які можуть послужити службі криміналістам, оскільки визначають стать та групу крові. Вчені працюють над биочипами виявлення стафілококового, холерного, дифтерійного, правцевого токсинів, збудників сибірки і чуми, різновидів вірусу віспи. "За допомогою біочіпів можна визначити, чи буде людина переносити ті чи інші ліки і навіть те, наскільки людина генетично підходить для тієї чи іншої професії, - розповідає Віктор Барський. - Наприклад, існують гени, які відповідають за хорошу стійкість людини до нестачі кисню. , Власники цих генів можуть працювати, наприклад, на висоті. Ці гени можна виявити.

Треба сказати, що биочипами у Росії займаються та інші дослідницькі групи. Біочип для експрес-діагностики вірусів грипу розробляють вчені з НДІ грипу РАМН у Санкт-Петербурзі разом із Інститутом біоорганічного синтезу у Москві. Цей пристрій зовні нагадує кредитну картку із вбудованими рецепторами для розпізнавання людських та пташиних вірусів. Як пояснив директор інституту академік РАМН Олег Кисельов, нанісши на біочип біологічний матеріал від захворілої птиці, можна оперативно з'ясувати, на який різновид вірусу грипу вона страждає.

Фахівці ГУ НДІ експериментальної медицини РАМН розробляють біологічний мікрочіп для виявлення на ранній стадії одного з тяжких ускладнень цукрового діабету – діабетичної нефропатії. Це білковий биочип, зондами у ньому служать фрагменти генно-інженерного білка G, який пов'язує людський альбумін. Біочип здатний вловити дуже малі концентрації альбуміну в сечі, які свідчать про ураження нирок, і відстежувати зміну цього показника протягом усього лікування.

У Гематологічному науковому центрі РАМН створюють білкові біочіпи на основі імуноглобулінів, які дозволяють знайти у крові збудників різних захворювань, а також антитіла, гормони, цитокіни та пухлинні клітини.

ЗАГРАНИЦЯ НАМ ДОПОМОЖЕ?

З часу свого винаходу російські біочіпи здобули заслужену популярність як у нас у країні, так і за кордоном. "Є європейські партнери, які зацікавлені в найширшому впровадженні нашої технології, - розповідає заступник директора з науки ІМБ РАН доктор біологічних наук Олександр Заседателев. - Так, французький госпіталь у Тулузі використовує російські біочіпи для діагностики різновидів вірусу гепатиту С, оскільки різні типи захворювання треба лікувати по-різному. Незабаром вони будуть застосовуватись і в інших французьких шпиталях". Російські біочіпи для діагностики раку крові з успіхом використовують у Бразилії. У країнах колишнього СНД технологію збираються застосовувати у Білорусії, Україні, Киргизії. Надійшов запит і з Кореї. У США російські прилади та біочіпи є в кількох організаціях: у Центрі контролю захворюваності, у Food and Drug Administration та у шпиталі в Арканзасі, який займається лікуванням туберкульозу серед мігрантів. "Ми не продаємо наші біочіпи за кордон, а передаємо їх у рамках наукових проектів", - наголошує Віктор Барський. Для біочіпів відкрилися і зовсім неочікувані перспективи: недавно NASA зацікавилося можливостями їх використання для виявлення позаземного життя.

Звичайно, біочіпи виробляють і за кордоном: кілька біотехнологічних фірм у США (Affymetrix, Clontech, Motorola та ін.), Японії (Hitachi, Matsushita, Fuji), в Європі. Американці досягли рекордної кількості ДНК-зондів, розміщених на одній матриці: до десятків і сотень тисяч. Вітчизняні біочіпи мають відносно невелику кількість осередків із зондами: від 1000 до 4000. Але для діагностики якоїсь однієї групи захворювань цього цілком достатньо. За рахунок простоти вдалося знизити ціну та спростити проведення аналізу. "Ціна одного аналізу за допомогою російського біочіпу - 500 рублів, - каже Дмитро Грядунов, - а в США проведення одного аналізу коштує 2 тисячі доларів. Тому наші біочіпи на відміну від закордонних годяться для масового застосування".

Останніми роками биочипами зацікавилися й у Росії. Проект "Біочипи" отримав державний контракт із Федеральним агентством з науки та інновацій (Роснаука) у рамках пріоритетного напряму "Живі системи".

ЛАБОРАТОРІЯ РОЗМІРОМ З ПОШТОВУ МАРКУ

Біочип влаштований в такий спосіб. На матриці-підкладці розташовано безліч осередків із гідрогелем (діаметром близько 100 мікрон, так що на одному квадратному сантиметрі можуть розміститися до тисячі осередків). У осередках містяться молекули-зонди: залежно від призначення біочипу це можуть бути фрагменти ДНК, РНК чи білки. Кожен осередок - це аналог мікропробірки, в якій відбувається реакція між молекулами-зондами та молекулами досліджуваної проби. Якщо ці молекули підходять одна до одної як ключ до замку, відбувається так звана гібридизація – молекули з'єднуються хімічними зв'язками. Осередок, в якому відбулася реакція, флуоресціює (бо пробу попередньо обробляють міткою, що світиться). У спеціальному приладі-аналізаторі під назвою "чіп-детектор" конфігурація крапок, що світяться, покаже, які мутації є в клітинах пацієнта, виявить бактерії та віруси, виявить генетичні форми мікроорганізмів - збудників хвороби.

ЯК РОБИТЬ БІОЧИПИ

Біочипи можна виготовляти різними способами. Американська фірма Affymetrix, що лідирує в цьому напрямку, виробляє їх тим же способом, що й електронні чіпи (вона і розташовується в Силіконовій долині в Каліфорнії). За цією методикою фрагменти ДНК – зонди – нарощуються прямо на скляній платівці методом фотолітографії. Саме високий рівень розвитку мікроелектроніки дозволив досягти таких вражаючих результатів - десятки та сотні тисяч зондів на одному біочипі.

В ІМБ РАН застосовують інший підхід. Фрагменти ДНК синтезують окремо, а потім наносять на підкладку в певному порядку. Цю роботу виконують роботи під керуванням комп'ютера. На вітчизняному чіпі розміщується від 100 до 4000 зондів.

ОСТАННІ ДОСЯГНЕННЯ

Сфери застосування біочіпів розширюються з кожним роком. Ось тільки найцікавіші з них.

БІОЧИПИ ДЛЯ АРМІЇ

Фахівці з Нортвестернського університету США розробили для американської армії биочип, який може виявити бактеріальне зараження довкілля. Якщо на нього потрапляє ДНК від патогенних мікробів, фрагменти ДНК-зондів з прикріпленими до них мікроскопічними частинками золота вишиковуються в ряд. Між електродами йде струм, і біочіп сигналізує про загрозу.

БІОЧИПИ ДЛЯ СПОРТСМЕНІВ

Біочип, що дозволяє визначити вплив тренувань на організм спортсменів, винайшла іспанська компанія Sabiobbi. Він одночасно досліджує 17 генів, пов'язаних із фізичними та метаболічними можливостями організму. Результати аналізів можна співвіднести з навантаженнями, які відчуває спортсмен під час тренувань, та скоригувати програму. Цей винахід, вважають автори, дозволить уникнути випадків передчасної смерті через фізичні навантаження.

БІОЧИПИ ДЛЯ ПОЛІЦІЙСЬКИХ

Чіпи-біосенсори на основі магнітних наночастинок та надчутливих магнітних сенсорів реагують на зв'язування певних біомолекул із проби зондами на поверхні наночастинок. Передові розробки у цій галузі належать Philips Research Laboratories. Такий біосенсор здатний за 1 хвилину визначати слідові концентрації морфіну в слині – 10 нанограм у мілілітрі.

БІОЧИПИ ДЛЯ ЛІКАРІВ

Швейцарський фармакологічний концерн Roche почав постачання на американський ринок першого у світі біочіпа, за допомогою якого лікар може заздалегідь визначити, наскільки ефективним буде той чи інший препарат для даного пацієнта і які побічні реакції він може викликати у нього. В основі біочіпа лежить технологія, розроблена американською фірмою Affymetrix. Біочип аналізує мутації двох генів, що грають важливу роль у засвоєнні приблизно чверті всіх медикаментів, що продаються, - наприклад, антидепресантів і засобів, що знижують тиск.

БІОЧИПИ ДЛЯ АСТРОНАВТІВ

Фахівці Американського космічного центру Маршалла розвивають технологію біочіпів із електронними компонентами. Такий чіп може виявляти бактерії, білки, ДНК і, за задумом NASA, стане в нагоді для двох видів робіт. По-перше, у майбутніх автоматичних системах, що шукають ознаки життя на Марсі та інших планетах. А по-друге, як частина системи безпеки майбутніх марсіанських пілотованих кораблів і дослідницьких станцій, щоб знаходити біологічні забруднення, можливо неземного походження, всередині приміщень, що мешкають.

Технологія білкових біочіпів, що замінюють цілі імунороргічні лабораторії, дає можливість у тисячі разів збільшити продуктивність більшості діагностичних методів – за короткий час визначати кілька тисяч алергенів, онкогенів, різних біологічно активних речовин, і навіть генетичних дефектів – і різко знизити собівартість.

Прообразом сучасних «живих чіпів» послужив саузернблот, виготовлений 1975 р. е. Саузерном. Він використав мічену нуклеїнову кислоту для визначення специфічної послідовності серед фрагментів ДНК, зафіксованих на твердій підкладці. У Росії її вчені почали активно розробляти тему биочипов лише наприкінці 1980-х гг. в інституті молекулярної біології під керівництвом А. Д. Мірзабекова.

Біочип є матрицею - платівкою зі стороною 5-10 мм, на яку можна нанести до декількох тисяч різних мікротестів; її ще називають платформою. Найчастіше використовують скляні або пластикові платформи, на які наносяться біологічні макромолекули (ДНК, білки, ферменти), здатні вибірково зв'язувати речовини в аналізованому розчині.

Залежно від цього, які макромолекули застосовуються, виділяють різні види биочипов, зорієнтовані різні цілі. Основна частка вироблених нині биочипов посідає ДНК-чипы (94%), т. е. матриці, що несуть молекули ДНК. 6% - білкові чіпи.

Біологічні мікрочіпи багато в чому схожі на електронні: і ті, й інші збирають і обробляють величезну кількість інформації на малій поверхні. І ті, й інші складаються з величезної кількості ідентичних мініатюрних елементів, розміщених поряд один з одним, хоча осередки биочипа за напівпровідниковими мірками просто величезні. При цьому дія електронного чіпа заснована на відповіді «ні-ні», а біологічний чіп дозволяє вибрати з мільйонів або мільярдів можливостей єдино вірну. Комп'ютерний чіп виробляє мільйони математичних операцій на секунду, а й на биочипе за кілька секунд проходять тисячі біохімічних реакцій.

Розроблений в Росії биочип-це скляна пластинка, на яку нанесені десятки ледь видимих ​​оком напівсферичних гідрогелевих осередків діаметром менше 100 мікрон кожна, і містять відомі речовини-маркери. При взаємодії биочипа з досліджуваним зразком, попередньо обробленим світиться (флуоресцентним) барвником, у відповідних осередках відбувається хімічна реакція, і тоді ці осередки починають світитися тим сильніше, ніж інтенсивніше процес.

Принцип дії біологічних чіпів заснований на здатності комплементарних основ утворювати хімічні зв'язки: в ході реакції відбувається взаємодія комплементарних ланцюгів ДНК, одна з них (ДНК-проба) з відомою послідовністю нуклеотидів зафіксована на підкладці (пластині), а інша одноланцюжкова ДНК-мішень (зонд) мічена флуоресцентною міткою, вноситься в ДНК-чіп.

По суті, саме у виявленні та зіставленні найбільш яскравих осередків і полягає робота приладу-аналізатора біочіпів. Так визначаються різні характеристики зразка, наприклад, присутність в організмі тих чи інших збудників інфекцій чи наявність у геномі будь-яких змінених генів.

Особливість російських биочипов у цьому, що й осередки заповнені гелем тривимірної структури. Такі гелі утримують більшу кількість проби, ніж двовимірні, і тому чутливість вітчизняних біочіпів вища, а, отже, нижча за вимогу до реєструючої апаратури. Важливо й те, що реакції в об'ємному гелі протікають так само, як і в рідинах, а отже, як і живому організмі. Це дозволяє отримати результат максимально наближений до реальності.

На Заході дослідники пішли іншим шляхом і розробили для створення ДНК-чіпів процес фотолітографії, аналогічний процесу виробництва кремнієвих процесорів. Наприклад, Affimetrix (США) створив GeneChip-технологію, засновану на високощільних чіпах, що містять ДНК-послідовності, і призначену для аналізу генетичної інформації людини. Такі чіпи мають набагато більшу ємність, коштують значно дорожче, що поки дозволяє використовувати їх виключно у великих дослідницьких центрах або в комерційних клініках.

Ще одним методом конструювання біочіпів є використання «технології струминного принтера» для нанесення необхідного нуклеотиду в певне місце матриці. Він менш дорогий, але при цьому не дозволяє досягти високої швидкості синтезу.

Зараз кількість осередків, що розміщуються на російському біочипі, досягає вже декількох тисяч, проте частіше використовуються біочіпи з набагато меншим числом осередків. Проте простий чіп може виявити всі відомі на сьогоднішній день форми збудника туберкульозу, а також визначити, яким саме антибіотиком потрібно лікувати конкретну форму не за кілька тижнів, як традиційним способом, а протягом кількох діб.

За допомогою білкових чіпів з молекулами, «чутливими» до різних низькомолекулярних сполук, вже найближчим часом можна буде визначити широкий спектр лікарських речовин, гормонів, наркотиків, отрут, пестицидів практично в будь-якому аналізованому матеріалі.

Контрольні питання та завдання

1. Що таке реакції імунітету?

2. У чому полягає сутність реакції аглютинації?

3. Які варіанти реакції преципітації існують?

4. Охарактеризуйте реакцію зв'язування комплементу.

5. Що таке метод флюоресціюючих антитіл?

6. У чому є сутність імуноферментного методу?

7. Опишіть особливості радіоімунологічного аналізу.

8. Що таке реакції імунітету?

9. У чому полягає сутність реакції аглютинації?

10. Дайте визначення радіоімунологічного аналізу?

Кожен із нас проходив обстеження у клініках і має уявлення про те, як багато часу та сил вони забирають. Здавати купу аналізів, літри крові, далі терпіти тижневе очікування, щоб лікарі встигли у своїх лабораторіях перевірити наші пробірки на наявність бактерій та вірусів. Однак незабаром все може докорінно змінитися, і обстеження більше не лякатимуть людей. Що допоможе проводити діагностику всіх захворювань у рази швидше?

Близько двадцяти років тому було розроблено технологія біологічних чіпів. Ця технологія належить Інституту молекулярної біології ім. Енгельгардт. Можна сказати, що протягом усіх цих двадцять років розробка припадала пилом на полицях і їй ніхто не займався. Але зараз вчені вирішили знову відновити роботу над чіпами і найближчим часом збираються виготовити цілу серію чіпів. Головна перевага технології порівняно із звичними для нас процедурами здачі аналізів – це оперативність.

Є низка захворювань, на діагностування яких навіть у найкращих лікарів потрібно кілька тижнів. Наприклад, щоб виявити збудника туберкульозу, зрозуміти, які ліки необхідно виписати пацієнту, лікарі можуть витратити навіть десять тижнів, а це величезний термін для хворого на організм. Весь цей час пацієнт лежить у лікарні, приймає препарати, які не дають стовідсоткової гарантії, що вони допоможуть організму. Для одних хворих ці препарати підходять, іншим вони не приносять ніякої користі. У результаті людина може витратити масу грошей на лікування та обслуговування у стаціонарі, при цьому належного лікування вона не отримає. Лише один приклад говорить про те, наскільки нині сумна ситуація у медицині.

Використання Біологічних чіпів

Біологічні чіпи– це можливість проведення аналізу здоров'я хворого лише за 24 години. Вони стануть не тільки прекрасною економією часу та грошей для пацієнта, але й допоможуть навіть всій медицині в країні з економією значної частини бюджету. Використання цієї технології – це величезне вкладення медичну сферу й у економію коштів держави. Є навіть офіційні цифри, які говорять про те, що за рік держава може розумно заощадити 5 мільярдів рублів завдяки біочипам.

Економія для пацієнта полягає в тому, що йому не доведеться витрачатися на величезну кількість аналізів, щоб перевірити весь свій організм на наявність захворювання. Один із кандидатів хімічних наук заявив, що лише завдяки одному аналізу з використанням нової технології пацієнт зможе перевірити свій організм на наявність восьми маркерів онкологічних захворювань. Причому за сьогоднішніми даними чіп здатний з 90% ймовірністю точно виявляти хворобу та діагностувати її правильно. Зараз людині потрібно віддати близько семи тисяч карбованців, щоб здати аналізи на всі поширені онкозахворювання. З чіпом пацієнт витратив би трохи більше тисячі рублів. Взяти той самий туберкульоз – після впровадження технології пацієнтові знадобиться близько п'ятисот рублів, щоб пройти обстеження на наявність захворювання. Зазначимо, що за кордоном вартість одного чіпа становить близько двох доларів.

Мікробіологи провели свої дослідження та заявили, що за допомогою технології справді є всі шанси діагностувати величезну кількість захворювань за короткий період часу. Наприклад, чіп дозволяє виявити багато видів лейкозу, ВІЛ, гепатит B і C, кілька видів грипів, герпес та багато інших хвороб. Аналізи будуть готові вже за кілька годин після проведення обстеження. Якщо є шанси виникнення епідемії, використання биочипівзіграє важливу роль медицині за рахунок своєї оперативності.

Менш ніж за добу у фахівців буде можливість оцінити ризики небезпеки, що належать до тих чи інших вірусів. Вони зможуть визначити рівень пандемічності. І це вже підтверджено. Кандидат біологічних наук Грядунов заявив, що багато хто в момент появи грипу H1N1 жахливо його боялися, хоча, насправді, величезної небезпеки для людини він не представляв, оскільки його білкова оболонка була вразливою. У випадку з пташиним грипом немає шансів виникнення епідемії через те, що від одного людського захворювання до іншого він передаватися не може.

Світла мітка

Конструкція чіпів негаразд складна. Є мініатюрна платівка, на яку прикріплюють матрицю. У матрицю входять безліч осередків. Їх розмір не перевищує ста мікронів. Лише на одному квадратному міліметрі матриці може помістити кілька сотень осередків. Їх можна порівняти із маленькими пробірками.

Олександр Чудінов, який бере участь у розробці біологічних мікрочіпів, заявив, що основа технології – це особливо властивість молекул ДНК. Це подвійна спіраль, яка будується за допомогою двох полімерних ланцюгів. Принцип побудови – комплементарний.

Вченим необхідно самостійно створювати один ланцюг відрізка ДНК, можна зайнятися створенням та олігонуклеотидом. Найголовніше, враховувати правильну послідовність побудови ланцюга. Та послідовність, що утворюється після мутації, що виявляє хворобу, є правильною. Дані відрізки вченим необхідно прив'язати до комірки чіпа. Далі матрицю необхідно помістити в спеціальний корпус, де вона буде захищена герметично. Залишається зробити роботу лаборанту провести грамотний аналіз. Як зразок може виступати ДНК вірус, взятий із крові чи слини. Чи можливе вивчення ДНК конкретно хворого? Звичайно, якщо буде, наприклад, генетична схильність до тієї чи іншої хвороби, її вдасться виявити за кілька годин. Є навіть шанси діагностувати індивідуальну переносимість певних хвороб.

Робота лаборанта ось у чому. Отриманий образ потрібно відправити в пробірку, потім до неї додати ще кілька ферментів і нуклеотиди (ряд нуклеотидів позначають флуоресцентним речовиною).

Через війну починається реакція синтезу. Це призводить до значного збільшення кількості ДНК відрізків. І що найголовніше, кожен відрізок матиме флуоресцентний маркер. Тепер "готову" пробу заливають у чіп. У разі наявності послідовностей, у яких є мутації, утворюється їхній зв'язок з відрізками. У цих відрізків досі були змінені послідовності. В результаті послідовності фарбують потрібну комірку маркером.

На цьому робота не закінчується, адже потрібно ще подбати про обробку чіпа певним розчинам. Після цієї процедури його відправляють у спеціальний пристрій для зчитування. Його називають флуоресцентним аналізатором, який працює за допомогою комп'ютера. Тепер роботу починає програма. Вона проводить аналіз картини осередків, що світяться, завдяки чому з'являється інформація саме про ті відрізки ДНК, які отримали зміни. У результаті у фахівця є дані щодо того, які гени змінилися, які захворювання у пацієнта є, що за бактерії та вірус вражають його організм.

Формат осередків – тривимірний. І це на руку вченим, оскільки є можливість використання величезної кількості відрізків ДНК. Чим більше відрізків, тим вищий відсоток точності результатів аналізу. Сьогодні є навіть спеціальні 3D-осередки, в які можна відправити молекули та бути впевненими, що вони втратить свої біологічні властивості. Для цього було створено гідрогель, який здатний зберігати властивості. Гідрогель можна порівняти із середовищем, в якому мешкають молекули в біологічних структурах, відмінностей дуже мало. Завдяки таким розробкам біочіпи можуть працювати протягом 12 місяців. У плані транспортування їх немає жодних питань – умови особливо критичні технології не потрібні.

Як зараз справи з технологією?

Поки що биочипів у клініках не зустрінеш, оскільки робота лише на етапі клінічних випробувань. Діагнозам чіпів сліпо не довіряють – їх звіряють зі звичними нам методами виявлення хвороб. Тим не менш, всі мікробіологи впевнені, що за біочіпами стоїть майбутнє, потрібно лише приділити достатньо уваги цій технології.

Зазначимо, що у 2016 році багато досліджень було спрямовано у бік боротьби з хвороб Альцгеймера. Також активно вивчалася шизофренія, алкоголізм. Було приділено увагу та розробці діагностичного тесту-системи, основа якої полягає саме в використання биочипів, здатних виявити схильність до перелічених вище хвороб.

Не можна сказати, що чіпи – це розробка, яку, крім як у охороні здоров'я, ніде більше не можна буде застосовувати. Навіть правоохоронні органи виявили інтерес до біочипів. Спеціально для цієї галузі було розроблено спеціальні чіпи, що справляються з ідентифікацією двадцяти трьох маркерів. Це дуже багато, оскільки його достатньо визначення десятків тисяч різних варіантів геному людини. Грубо кажучи, чіп даватиме інформацію високої точності щодо того, чи здатна людина вчинити той чи інший злочин. Для тесту знадобляться виключно біологічні зразки, у ролі яких може виступати слина, волосся тощо.

Природно, поки що слідчі дії не проводяться з використанням чіпа, оскільки поки що не доведено, наскільки точну та правдиву інформацію він дає. Але вчені заявляють, що використання цієї технології вкрай сприятливо позначиться на розвитку галузі правоохоронних органів. Що можна сказати у результаті? До епохи, яка раніше здавалася фантастичною у молекулярній біології, залишилося зовсім недовго.

Біологічний мікрочіп, біочіп (biochip, грец. bio(s)- життя та logos- Поняття, вчення; грец. mikros -маленький та англ. chip- осколок) - платівка-носій, на якій в певному порядку розташовані численні осередки (до кілька десятків тис.) з різними іммобілізованими в них одноланцюжковими олігонуклеотидами або олігопептидами, кожен з яких здатний вибірково зв'язувати певну речовину, що міститься в складній суміші. Біочип використовується для молекулярно-генетичних досліджень, діагностики різних захворювань людини, експрес-діагностики високопатогенних вірусів, а також у ветеринарії, сільському господарстві, криміналістиці, токсикології, охороні навколишнього середовища. Перша робота з біочипів у сучасному форматі (з фрагментами ДНК) була опублікована А. Д. Мірзабековим із співр. 1989 р.

Біологічні мікрочіпи (biochips), або, як їх найчастіше називають, DNA microarrays, - це один із найновіших інструментів біології та медицини XXI ст. Нині вони активно виробляються кількома біотехнологічними фірмами. Біочипну техніку можна успішно застосовувати як для дослідницьких цілей, так і для діагностики в медичних закладах.

За допомогою мікрочіпів можна проводити одночасний аналіз роботи тисяч та десятків тисяч генів, порівнювати їхню експресію. Такі дослідження допомагають створювати нові лікарські препарати, з'ясовувати, які гени і як ці нові ліки діють. Біочипи є також незамінним інструментом для біологічних досліджень, за один експеримент можна побачити вплив різних факторів (ліків, білків, харчування) на роботу десятків тисяч генів.

Біочипи дозволяють дуже швидко визначати наявність вірусних та бактеріальних збудників. Важливе медичне застосування біочіпів – це діагностика лейкозів та інших вірусних захворювань. Біочипи дозволяють швидко, за лічені дні або навіть години розрізняти зовні невиразні види лейкозів. Біочипи застосовуються для діагностики різних видів ракових пухлин.

Прообразом сучасних " живих чіпів " послужив саузерн-блот, виготовлений 1975г. Едом Саузерном. Він використав мічену нуклеїнову кислоту для визначення специфічної послідовності серед фрагментів ДНК, зафіксованих на твердій підкладці. У Росії її вчені почали активно розробляти биочипы наприкінці 1980-х в Інституті молекулярної біології РАН під керівництвом А.Д.Мирзабекова.

Найточніше біочіпи описує англійську назву DNA-microarrays, тобто. це організоване розміщення молекул ДНК на спеціальному носії. Фахівці називають цей носій платформою. Платформа - це найчастіше платівка зі скла (іноді використовують й інші матеріали, наприклад кремній), на яку наносяться біологічні макромолекули (ДНК, білки, ферменти), здатні вибірково зв'язувати речовини, що містяться в аналізованому розчині.

Залежно від цього, які макромолекули застосовуються, виділяють різні види биочипов, зорієнтовані різні цілі. Основна частка вироблених нині биочипов посідає ДНК-чипы (94%), тобто. матриці, що несуть молекули ДНК. 6%, що залишилися, складають білкові чіпи.

Організоване розміщення макромолекул займає на платформі дуже невелику ділянку розміром від поштової марки до візитної картки. Мікроскопічний розмір біочіпа дозволяє розміщувати на невеликій площі величезну кількість різних молекул ДНК і зчитувати з цієї площі інформацію за допомогою флюоресцентного мікроскопа або спеціального лазерного пристрою для читання (рис. 2.50).

Характерні розміри осередків сучасних мікрочіпів лежать у межах 50-200 мкм, загальна кількість осередків на чіпі становить 1000-100000, а лінійні розміри чіпа - близько 1 см. У поверхневих матричних біочипах ДНК іммобілізується на поверхні мембран або пластинок металу. У гелевих биочипах ДНК іммобілізується в шарі поліакриламідного гелю завтовшки 10-20 мкм, нанесеного на оброблену поверхню скла. Також чіпи можуть нарощуватись прямо зі скляної пластинки методом фотолітографії з використанням спеціальних мікромасок. ДНК, що іммобілізується, наноситься на поверхню або через голчасті растри (піни) механічного робота, або за допомогою технології струминного принтера. Контроль якості нанесення здійснюється за допомогою спеціалізованої оптики та комп'ютерного аналізу зображення. На біочіпі надалі гібридизують молекули ДНК, мічені барвником.

ДНК, що гібридується, в розчині мітиться за допомогою флюоресцентної або радіоактивної мітки. У разі суміші молекул ДНК (наприклад, ДНК дикого типу та ДНК з мутаціями) кожна мітиться своїм флюоресцентним барвником. Властивості барвника не повинні сильно залежати від складу (A/T або G/C) ДНК та температури. Інтенсивність флюоресценції в осередках вимірюють за допомогою сканера або люмінесцентного мікроскопа, що передає сигнал на прилад із зарядним зв'язком. Проте флюоресценція є основним, але з єдиним методом вивчення гібридизації. Зокрема дані про характер гібридизації можна отримати також за допомогою мас-спектрометрії, атомної силової мікроскопії та ін.

В основі принципу роботи всіх типів біочіпів з іммобілізованою ДНК лежить точна відповідність між комплементарними ДНК за правилом Уотсона-Кріка: A-Т, G-С. Якщо відповідність між нуклеотидами іммобілізованої та гібридизованої ДНК точно задовольняє умовам комплементарності, то дуплекси, що утворюються, будуть термодинамічно найбільш стійкі. В результаті при кінцевих температурах їх буде більше, ніж недосконалих дуплексів з порушенням умов комплементарності, і відповідно досконалим дуплекс відповідатиме сильніший сигнал флюоресценції. У виявленні та зіставленні найбільш яскравих осередків і полягає робота приладу - аналізатора биочипов.

ДНК, що гібридується, зазвичай заздалегідь напрацьовується в достатніх кількостях за допомогою ПЛР. У більш розвинених технологіях ПЛР здійснюється безпосередньо на чіпі. Крім того, безпосередньо на чіпі можна здійснювати фрагментацію, фосфорилювання, лігування ДНК або міні-секвенування, при якому довжина дуплексу збільшується на одну пару основ. Останню техніку можна ефективно використовуватиме пошуку мутацій.

На Заході та в Росії зараз сформувалося два різні напрями та два різні стандарти зі створення та застосування біочіпів. Російські біочіпи дешевші, а західні - об'ємніші. При цьому в Росії біочіпи займаються поки що переважно дослідницькі лабораторії, а на Заході - це, в першу чергу, військові дослідження та комерційне виробництво чіпів для діагностики.