Электронные биочипы на основе выращенных живых клеток. Биочипы: общие сведения

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.

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.

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.

Доклад нижегородских ученых по экспресс-диагностике онкологии с помощью биочипа признается лучшим в секции «Цитология» на 29-ом Европейском конгрессе по патологии! – после этих слов поздравлять россиян бросились коллеги из Италии , Хорватии , Турции , Германии … Оно и понятно – попасть в число лучших на этом конгрессе - все равно, что получить Оскар в кинематографе. Ежегодно за это право в Амстердаме борются главные медицинские светила со всего света.

Разработкой этого биочипа мы занимаемся с 2012 года, но свой нынешний вид он приобрел только пару лет назад, когда появился инвестор, - рассказывает один из авторов проекта, руководитель лаборатории молекулярной биологии и биотехнологии ННИИ им. Блохиной Олег Уткин . – Аналогов этой тест-системе нет нигде в мире, достоверность диагноза составляет 95%.

То, что в стенах нижегородского института идет разработка уникальной технологии, сразу и не скажешь. Ни тебе секретных паролей на входе, ни автоматчиков на охране. Из всех мер предосторожности - только бахилы и обязательный белый халат на входе в лабораторию.

Вот это и есть наш биочип, - показывает мне Олег крохотную, едва различимую на ладошке стеклянную пластинку. Глядя на эту крошку, с трудом верится, что она способна выявить практически любой вид рака всего за полтора часа. За эту технологию многие президенты отдали бы полцарства и дочку в придачу.

Принцип действия этой системы прост: берем любой биоматериал - серозную жидкость, мочу или послеоперационный материал – и вносим в ячейки биочипа. Всего в чипе 15 секторов, в каждом из которых содержится помеченный флуоресцентным раствором белок. Если будут выявлены какие-то признаки онкологии, то клетки в ячейке покажут свечение под флюоресцентным микроскопом.

Кстати, в отличие ото всех остальных методов диагностики, биочип не только просигнализирует о самом факте онкологического заболевания, но и определит его разновидность и где есть метастазы, - тем самым поможет врачу дать прогноз по течению болезни и по подбору персональной терапии. На сегодняшний день тест-система способна диагностировать едва ли не все виды рака: легких, молочной железы, желудка, толстой кишки, яичников… В зависимости от подозреваемой разновидности онкологии будет меняться и набор белков в биочипе.

Сейчас существует восемь разновидностей таких тест-систем - от обычной скрининговой, которая просто выявляет наличие онкологии, до заточенных под каждую патологию, - объясняют разработчики. – Что самое главное – для проведения исследований не нужно ни дорогущих лабораторий, ни огромного штата высококвалифицированных врачей. Внести биоматериал в нашу тест-систему может любой лаборант, после чего врач-онколог уже может сделать заключение.

За эту разработку ученым уже вручили национальную премию "Призвание". ФОТО: Пресс-служба НижГМА

Эти биочипы просты не только в эксплуатации, но и в производстве. В небольшой лаборатории ежедневно можно делать тысячи таких систем. Отсюда и их дешевизна – один такой чип поликлинике будет стоить чуть больше тысячи рублей. А для самого пациента диагностика и вовсе будет бесплатной – она должна войти в систему ОМС.

Мы уже получили все необходимые патенты – российский и зарубежный, - рассказывает Олег Уткин. – Но чтобы биочипы поступили в поликлиники, нам необходимо регистрационное заключение Росздрава. Надеемся в самое ближайшее время получить и его. После этого буквально за пару месяцев сможем запустить массовое производство.

Со своей стороны российский Минздрав вручил нижегородским разработчикам престижную национальную премию «Призвание», присуждаемую лучшим врачам России , в номинации «За создание нового метода диагностики».

СПРАВКА «КП»

В разработке биочипа принимают участие ведущие ученые трех российских исследовательских центров: ФБУН «ННИИЭМ им. академика И.Н. Блохиной», ФГБУ «РОНЦ им. Н.Н. Блохина», ФГБОУ ВО «НижГМА». Этой технологией уже заинтересовались ученые из России, Японии , Швейцарии , Китая , Беларуси , Казахстана и Армении .