В каких сферах применяются молекулярные биочипы. Диагностические биочипы. Биочипы в деле

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 .

План.

ВВЕДЕНИЕ.

1.БИОЧИПЫ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ XXI ВЕКА.

1.2. Биочипы определение.

1.3. Виды, свойства и функции биочипов.

2.Основная часть.

2.1. Гелевые биочипы, их свойства, производство и анализ.

2.2. Олигонуклеотиды и ДНКовые микрочипы.

2.3. Клеточные микрочипы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

БИОЧИПЫ В БИОЛОГИИ И

МЕДИЦИНЕ XXI ВЕКА.

Биологические микрочипы являются одним из наиболее быстро развивающихся экспериментальных направлений современной биологии. Существует два основных типа биочипов. Первый рассматриваемый тип - это микроматрицы различных соединений, главным образом биополимеров, иммобилизованных на поверхности стекла, в микрокаплях геля, в микрокапиллярах. Другим типом биочипов являются миниатюризованные "микролаборатории". Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды, друг с другом и низкомолекулярными лигандами. Удается в достаточно простых параллельных экспериментах собрать и обработать на отдельных элементах биочипа огромное количество биологической информации. В этом заключается фундаментальное информационное сходство биочипов с электронными микрочипами. Однако между ними имеется и ряд принципиальных различий.

На рис. 1 показан принцип действия ячейки ДНК или олигонуклеотидного биочипа, основанный на комплементарных взаимодействиях основания аденина (А) с тимином (Т) и гуанина (G) с цитозином (С) в двух нитях ДНК. Если последовательность оснований в одной нити ДНК (или олигонуклеотида) полностью комплементарна последовательности другой нити, то образуется стабильная совершенная двухнитчатая спираль - дуплекс. Однако присутствие в дуплексе даже одной неправильной пары, например G-G, предотвращает образование дуплекса. Если иммобилизовать в одном из элементов микрочипа специфическую одноцепочечную ДНК или, положим, 20-мерный олигонуклеотид (пробу), то при добавлении к микрочипу меченных флюоресцентными красителями фрагментов ДНК, например генома человека, будет происходить их высокоспецифичное взаимодействие. Заданный олигонуклеотидный элемент биочипа специфически свяжет только одну комплементарную последовательность из 420 = 1.09 х 1012 всех возможных последовательностей этой длины в ДНК. В результате флюоресцентное свечение наблюдается только на этом комплементарном элементе биочипа. Таким образом, один элемент биочипа производит одну выборку примерно из триллиона возможных вариантов, в отличие от элемента электронного чипа, где происходит двоичная выборка: ДА или НЕТ.

Рис. 1. Схема образования двойной спирали ДНК на биочипе

Олигонуклеотид фиксирован на одном из элементов биочипа и избирательно связывает из многих флуоресцентно меченых фрагментов ДНК только комплементарный. В результате только этот элемент начинает светиться. Это происходит благодаря высоко-специфичным взаимодействиям комплементарных пар нуклеотидов А с Т и G с С. Присутствие некомплементарной пары, например G-G, предотвращает взаимодействие и оставляет элемент микрочипа темным

Стремительное развитие биологии во второй половине прошлого века тесно связано с появлением молекулярной и клеточной биологии, которая основана на концепции о редукционизме -сводимости сложных биологических процессов к процессам, протекающим на уровне отдельных молекул биополимеров, прежде всего белков и нуклеиновых кислот и их различных клеточных комплексов и структур. Редукционизму противопоставлялась концепция интегратизма о необходимости комплексного изучения структуры и функционирования в клетке всей совокупности макромолекул. В последние годы появились такие новые интегративные подходы, как геномика, протеомика и селломика, развиваемые большими коллективами или часто целыми "научными фабриками". Эти направления позволяют устанавливать структуру и изучать процессы на уровне генов всего генома, белков всей клетки или клеток всей ткани. Развиваемые в последние годы биологические микрочипы позволяют реализовать в доступной форме весьма сложные интегративные подходы геномики, протеомики и селломики. Например, олигонуклеотидные и ДНКовые микрочипы, выпускаемые рядом фирм, позволяют в достаточно простых, доступных отдельным исследователям экспериментах изучать экспрессию большинства генов различных бактерий и многих генов человека. На очереди создание белковых чипов, содержащих большое количество иммобилизованных клеточных белков или специфичных к ним антител.

Макроматрицы ДНК и белков иммобилизованных на фильтре, или фиксированных в лунках планшет, были известны достаточно давно. Однако первая работа по ДНКовым микрочипам и одна из первых по белковым микрочипам в современном формате были опубликованы нашей лабораторией в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (ИМБ). Этот принципиальный скачок был предложен для использования в новом методе секвенирования ДНК гибридизацией. В 1968 г. Советский Союз, а вслед за ним США и другие страны приняли государственные программы установления полной последовательности всех 3 миллиардов нуклеотидов генома человека. Широко дискутировался вопрос, должна ли эта задача решаться масштабированием существующих подходов или должны быть разработаны новые, более эффективные методы. В связи с временными ограничениями, ученые пошли по пути существенного улучшения и гигантского масштабирования уже существующего метода, основанного на считывании одного нуклеотида за другим с конца коротких фрагментов ДНК. Этот метод в химическом и ферментативном варианте был предложен В. Гилбертом и Ф. Сенгером, которые и разделили Нобелевскую премию за 1967 г. В развитии химического метода большую роль сыграли академики Е.Д. Свердлов и А.Д. Мирзабеков. В своей Нобелевской речи В. Гилберт отметил, что "идея метода пришла только после второго визита А. Мирзабекова" в его лабораторию.

Рис. 2. Секвенирование фрагмента ДНК гибридизацией с полным олигонуклеотидным микрочипом, содержащим все 4096 6-меров

6-меры микрочипа, образующие при гибридизации с флуоресцентно меченым фрагментом ДНК совершенные дуплексы, интенсивно светятся. Такие соседствующие 6-меры перекрываются на пять нуклеотидов; это перекрывание позволяет однозначно восстановить нуклеотидную последовательность ДНК

В поисках новых подходов к секвенированию ДНК нами, а также независимо двумя другими группами в Англии и Сербии было предложено в 1988 г секвенирование гибридизацией. В этом методе секвенирование проводится не отдельными нуклеотидами, а словами в составе полного "словаря" нуклеотидных слов определенной величины. Такой словарь может содержать все возможные 4096 гексануклеотидов, т.е. шестибуквенных генетических слов. Для нас стала очевидной необходимость создания микрочипов, и в следующем году появилась первая статья, описывающая приготовление и свойства предложенных нами гелевых микрочипов. Позднее нами были созданы полные микрочипные гексануклеотид-ные словари. С этого момента и по настоящее время наша группа сконцентрировалась на развитии биочипов: создании ДНКовых, белковых и клеточных биочипов, на развитии технологий их производства и на их применении в фундаментальных исследованиях и их различных приложениях в медицине, биотехнологии и др. областях. Эти исследования рассмотрены в обзорной работе.

Рис. 2 показывает такой полный 6-мерный олигонуклеотидный микрочип и секвенирование на нем 50-нуклеотидного фрагмента ДНК. Для приведенного случая идентификация всех 6-меров, комплементарных к ДНК, и перекрывание соседних 6-меров на пять нуклеотидов позволяет восстановить полную нуклеотидную последовательность ДНК. В действительности метод в данном варианте работает только в части случаев, его широкому применению должно предшествовать решение ряда экспериментальных проблем, которые будут рассмотрены далее. .

ГЕЛЕВЫЕ БИОЧИПЫ, ИХ СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО И АНАЛИЗ

Своеобразием и отличием развиваемых нами биочипов является то, что они представляют собой полусферические капли гидрогеля, фиксированные химической связью на поверхности стекла, пластика или силикона. Различные биомолекулы равномерно распределяются и иммобилизуются химическими связями в объеме геля. Иммобилизация не на двумерной поверхности, а в трехмерном объеме геля дает ряд существенных преимуществ. В десятки и сотни раз увеличивается емкость биочипа на единицу поверхности и соответственно увеличивается чувствительность измерений. Иммобилизованные макромолекулы как бы фиксированы в гомогенной водной среде, составляющей около 95% объема геля. Это исключает их взаимодействие как друг с другом, так и с твердой поверхностью, где гетерофазные процессы с участием фиксированных на ней биомолекул протекают более сложным образом. Это особенно существенно для белковых чипов, поскольку молекулы белков имеют тенденцию денатурации в интерфазе, образованной между твердой поверхностью и водной средой. Наконец, гелевые элементы на воздухе или под маслом превращаются как бы в изолированные микро- и нанолитровые пробирки, в каждой из которых можно проводить индивидуально различные специфические взаимодействия, химические и ферментативные реакции. Благодаря этому гелевые биочипы объединяют в себе свойства и микроматриц и микролабораторий.

Технология производства гелевых биочипов прошла три этапа развития.

Громоздкая и малоэффективная технология первого поколения состояла из пяти стадий и была разработана и запатентована в ИМБ в 1989-1993 гг. Она была перенесена в совместную биочипную лабораторию, организованную ИМБ и Аргонской национальной лабораторией (АНЛ, США) в 1994-2000 гг. и стала технологией первого поколения, была лицензирована американскими фирмами "Моторолой" и "Пакардом". Однако из-за ее несовершенства фирмы стали производить биочипы не как микроматрицы гелевых элементов, а как сплошную поверхность полиакриламидного геля.

В ИМБ за последние три года разработаны технологии производства биочипов второго и третьего поколения. Технология второго поколения состоит из трех этапов: модификация иммобилизуемых биополимеров мономерными группами геля, нанесение раствора этих веществ в смеси с мономерными звеньями геля с помощью игольчатого или пьезоэлектрического робота и, наконец, фотоиндуцированная сополимеризация свободных и связанных с биополимерами молекул мономера. Это приводит к равномерной иммобилизации веществ во всем объеме геля. В еще более простой двухэтапной технологии третьего поколения первая и третья стадии получения биочипов объединены с помощью своеобразной химической реакции.

Достаточно простая, универсальная и дешевая технология третьего поколения позволяет производить даже в лабораторных условиях сотни и в скором будущем тысячи олигонуклеотидных, ДНКовых или белковых микрочипов в день. Разработан также метод получения сополимеризацией микрочипов с размерами гелевых микроячеек до 5х5х5 мкм. Биочипы содержат от десятков до нескольких тысяч гелевых элементов с иммобилизованными в них соединениями. Элементы микрочипа представляют собой гидрогелевые полусферы (диаметром около 100 мкм), находящиеся на расстоянии 250 мкм друг от друга на гидрофобизованной поверхности стекла. Одноцепочечные ДНК длиной до 200-300 нуклеотидов и белки с массой до 150 кД легко и достаточно быстро диффундируют в гидрогелевые элементы микрочипов специально разработанного состава. Сам биочип помещен в реакционную камеру с капиллярным входом и выходом, в которой можно проводить различные процессы в строго контролируемых условиях.

АНАЛИЗ БИОЧИПОВ

Регистрация происходящих на биочипах процессов осуществляется с помощью флюоресцент-ных, а также в некоторых случаях хемилюминис-центных и масс-спектрометрических методов. Для количественного флюоресцентного анализа нами были разработаны совместно с РНЦ "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" флюоресцентные широкопольные высоко-апертурные микроскопы, снабженные ПЗС-камерой и компьютером. Прибор позволяет проводить в реакционной камере количественный анализ в реальном времени сразу всех элементов биочипа в автоматическом режиме, одновременно при четырех длинах волн, при заданной или меняющейся температуре. Более 20 таких достаточно дорогих исследовательских анализаторов биочипов поставлены в лаборатории России и США. Для клиник нами разработан более простой и дешевый лазерный анализатор. Он позволяет проводить количественную регистрацию флюоресценции одновременно со всего биочипа с помощью более простой ПЗС-камеры и обрабатывать результаты на прилагаемом портативном компьютере с помощью специально созданных программ.

Хемилюминисцентные методы, хотя и уступают по чувствительности люминесцентным, позволяют значительно упростить и удешевить регистрирующую аппаратуру. Кроме того, разработан специальный метод прямого анализа соединений непосредственно в гелевых элементах с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии. Этот важный в протеомике метод позволяет проводить дополнительную идентификацию взаимодействующих с биочипами соединений по их массе.

ОЛИГОНУКЛЕОТИДНЫЕ И ДНКовые МИКРОЧИПЫ

Процесс комплементарных взаимодействий двух нитей ДНК (гибридизация) осложняется существенно меньшей стабильностью совершенного дуплекса А-Т по сравнению с G-C дуплексом и неодинаковым дестабилизирующим эффектом различных неправильных пар оснований. Поэтому в некоторых типах экспериментов была введено измерение кривых плавления, то есть количественной регистрации флюоресценции параллельно во всех ячейках микрочипа в градиенте повышающейся температуры. Это позволяет вычислить термодинамические параметры образования дуплексов: свободную энергию, энтропию и энтальпию. Проведение таких исследований на производимых нами микрочипах, содержащих всевозможные 6-мерные нуклеотиды (всего их 4096), открывает уникальные возможности. Сейчас измеряются термодинамические параметры для 4096 совершенных гексамерных дуплексов и 73728 дуплексов, содержащих всевозможные неправильные пары оснований во всех положениях гексануклеотидов. Составление полного каталога термодинамических параметров гексамерных дуплексов позволит создать более точную теорию гибридизации и оценить влияние на гибридизацию первичной и вторичной структур в ДНК. Эта теория необходима для практических работ с ДНК и, в свою очередь, будет способствовать завершению развития метода секвенирования ДНК гибридизацией.

Для широкого применения секвенирования ДНК гибридизацией с полными, например 6-мерными или более сложными, микрочипами требуется решение ряда проблем. Важной задачей является надежная дискриминация совершенных и неправильных дуплексов, образующихся на био-чипе, что затруднено различиями в стабильности А-Т и G-C пар оснований. Измерение кривых плавлений дуплексов и применение алгоритмов, вычисляющих поверхность под кривой плавления для каждого дуплекса, увеличивают надежность анализа. Другим серьезным препятствием является частое присутствие в ДНК повторяющихся гексануклеотидных и более длинных последовательностей. Эту частоту можно оценить количественно, измеряя и сравнивания интенсивности флуоресценции различных элементов биочипа.

Гибридизация с полным 6-мерным биочипом становится привлекательным методом для выявления известных и открытия новых мутаций и нуклеотидного полиморфизма в участках ДНК с известной структурой. Последовательная гибридизация с одним и тем же полным биочипом двух фрагментов одного и того же участка генома с известной и анализируемой структурой позволяет выявить различия во флюоресцентной картине и установить структуру и положение измененного основания в ДНК. Таким методом можно выявлять присутствие патогенных мутантов в стандартном штамме полиовируса, используемого как полиомиелитная вакцина.

Полные 6-мерные биочипы были также использованы для выявления специфичности ДНК-связывающихся соединений к определенным нуклеотидным последовательностям. Таким способом была изучена специфичность гистоноподоб-ного бактериального белка HU, низкомолекулярного красителя Хекст 33258, а также белка р50, являющегося регулятором транскрипции и трансляции и открытого группой академика Л.П. Овчинникова (рис. 3).

Рис. 3. Идентификация узнавания белком Р50 специфичных участков в ДНК

Флуоресцентно окрашенный белок Р50 связывается с полным 6-мерным олигонуклеотидным микрочипом. Проводиться измерение флуоресценции белка на каждом элементе биочипа в градиенте повышающейся температуры и ТD -температур плавления комплексов белка с олигонуклеотидами. Олигонуклеотиды микрочипа, проявляющие наибольшую температурную стабильность в комплексе с ДНК, локализованные в светлом кресте и содержащие тетрануклеотидные последовательности TGGT и GGTC, демонстрируют также и наибольшую специфичность связывания

Гибридизация с олигонуклеотидными микрочипами служит для качественной и количественной идентификации нуклеиновых кислот и для анализа структурных вариаций в них. Рибосомы присутствуют во всех живых клетках, а рибосомальные РНК являются одними из наиболее эволюционно консервативных макромолекул. Вместе с тем в рибосомальных РНК существуют несколько вариабельных участков. Различия в нуклеотидной последовательности этих участков применяются для идентификации микроорганизмов и для прослеживания их эволюции. Нами разработан ряд микрочипов для экспрессного метода идентификации нитрифицирующих бактерий, бактерий групп Bacillus и архебактерий. Присутствие рибосомальных РНК в клетке в количестве тысяч копий позволяет проводить анализ в ряде случаев без их амплификации. Разработана также простая система выделения рибосомальных РНК и их флюоресцентного мечения на одной и той же колонке, что позволило создать биочипный экспресс-метод анализа таких типов биологического оружия, как сибирская язва. Мы изучаем также возможность создания биогенов для идентификации всех или большей части известных микроорганизмов.

Для качественного и количественного анализа экспрессии генов и содержания различных информационных РНК существует несколько зарубежных коммерческих биочипных систем. Гелевые микрочипы были использованы нами также для анализа мРНК, например, для идентификации хромосомных перестроек, вызывающих восемь различных типов лейкемий. Соответствующая микрочипная диагностика лейкемий внедрена в Детском республиканском гематологическом центре.

Олигонуклеотидные микрочипы являются эффективным подходом для одновременной идентификации от десятков до тысяч генов и их структурного анализа, для выявления специфичных нуклеотидных последовательностей и нуклеотидных вариаций в их структуре. Однако когда гены присутствуют в геноме в количестве одной или нескольких копий, требуется их предварительная амплификация. Наиболее эффективным методом амплификации ДНК является полимеразная цепная реакция, в процессе которой происходит экспоненциальное увеличение количества молекул ДНК от нескольких до миллионов и более копий, достаточных для проведения их гибридизационного анализа.

В более традиционном и простом подходе амплификация ДНК и гибридизация амплифицированной ДНК с биочипом проводятся в две отдельные стадии. Такие двухстадийные методы были разработаны нами в совместных исследованиях с рядом российских и зарубежных лабораторий для идентификации мутаций в b-глобиновом гене, вызывающем наследственное заболевание b-талассемию, определения аллелей в гене гистосовместимости HLA DQAI, нуклеотидного полиморфизма в гене m-опиоидного рецептора, обуславливающего, вероятно, склонность к наркомании, определения ряда бактериальных генов, ответственных за резистентность к антибиотикам и синтез некоторых токсинов.

Гибридизация амплифицированной ДНК с reлевыми биочипами нашла применение в практике для идентификации мутаций, ответственных за резистентность туберкулезных бацилл к одному из основных противотуберкулезных препаратов - рифампицину. Этот метод прост, недорог и ускоряет анализ от нескольких недель до 1 дня. Метод был разработан совместно с Московским научно-практическим центром борьбы с туберкулезом и ГНЦ вирусологии и биотехнологии "Вектор" и опробован более чем на 150 больных в ряде клиник. Налажен коммерческий выпуск таких наборов для анализа, содержащих олигонуклеотидные микрочипы, компоненты для амплификации ДНК, включая синтетические флюоресцентно меченные олигонуклеотиды, клинический анализатор биочипов с портативным компьютером и программой для автоматического анализа биочипов. Этот метод нетрудно адаптировать для обнаружения многих других микроорганизмов, генов лекарственной резистентности и синтеза токсинов, а также для идентификации различных мутаций в вирусах, микроорганизмах, животных (включая человека) и растениях. Введение соответствующих изменений, необходимых для выполнения этих задач, можно провести за короткое время - от нескольких недель до нескольких месяцев.

В двух других разработанных методах гибридизацию на микрочипе объединяют с амплификацией на микрочипе в одну стадию, что ускоряет и упрощает анализ. Во втором методе амплификация происходит параллельно в растворе в реакционной камере и в гелевых элементах микрочипа, содержащих иммобилизованные и участвующие в амплификации олигонуклеотиды (праймеры). Такой подход был был использован для сокращения идентификации туберкулезной бациллы до 2 часов и определения ее резистентности сразу к двум лекарственным препаратам - рифампицину и изониазиду. В методе используется также аллель-специфичная амплификация, протекающая на иммобилизованных в геле олигонуклеотидах. Помимо этого, мутации и полиморфные нуклеотиды могут выявляться с помощью ферментативных реакций удлинения иммобилизованных на чипе олигонуклеотидов на один нуклеотид и их соединения с другими олигонуклеотидами - лигирования.

В третьем методе амплификация происходит исключительно в гелевых элементах микрочипа, используемых в этом случае как пробирки объемом от нескольких нанолитров до долей микролитра. Каждая из этих гелевых нанопробирок содержит необходимые для амплификации два и более специфических олигонуклеотида. Метод пока достаточно сложен в исполнении и требует дальнейшей доработки. Однако его реализация позволит анализировать на одном биочипе и в одном эксперименте тысячи полиморфных нуклео-тидов в геноме, что позволит использовать его для массового скрининга популяций. Известно, что полиморфизм примерно 3 млн. нуклеотидов из 3 млрд., составляющих человеческий геном, отличает одного человека от другого. Полиморфизм отвечает за наследственные дефекты и патологии, предрасположенность ко многим заболеваниям, в том числе злокачественным, и определяет многие Другие генетически заданные особенности человека. Поэтому создание простого и эффективного микрочипного анализа полиморфизма сразу по многим участкам для каждого индивидума приблизит человека к цели "Познай самого себя", начертанной приблизительно 2500 лет назад на стене Дельфийского храма в Греции.

Биочипы, разработанные для идентификации некоторых патогенных бактерий, вирусов и биологического оружия, а также для обнаружения мутаций, вызывающих раковые заболевания а - вируса натуральной оспы, осповакцины, оспы коров;

б - сибирской язвы, чумы, бруцеллеза на одном чипе;

в - детекция патогенов в донорской крови;

г - мутации в ген brcal, ответственных за возникновение рака молочной железы;

д - транслокаций при лейкозах

Некоторые из этих биочипов могут быть использованы для быстрого и чувствительного выявления биологического оружия, оспы, сибирской язвы и других подобного рода болезней.

Технология производства микрочипов позволяет с небольшими изменениями получать как олигонуклеотидные и ДНКовые, так и белковые микрочипы, содержащие ферменты, антитела, антигены и т.д. Стабилизирующий эффект иммобилизации в геле позволяет хранить большинство белковых микрочипов в течение месяцев без потери функциональной активности.

В сотрудничестве с лабораториями членов-корреспондентов РАН Е.В. Гришина и В.А. Несмеянова (ИБХ, РАН), а также А.Ю. Барышникова (Онкоцентр РАМН) нами было продемонстрировано эффективное применение белковых гелевых чипов для количественной диагностики ряда токсинов, а также раковых антигенов и антител в крови пациентов. Эти начальные эксперименты свидетельствуют, что биочипы конкурентоспособны в клинической иммунодиагностике со стандартными методами.

Перспективно использование белковых чипов в бурно развивающейся протеомике. В этой связи особый интерес представляют следующие две задачи:

Качественное и количественное определение параллельно большого количества белков в клетках различных тканей или в различных функциональных состояниях, для чего можно использовать специфические антитела, как продемонстрировано на рис. 7, для количественной идентификации антигена рака простаты; в ряде стран уже развернуты программы получения большинства белков человеческих и бактериальных клеток и производства специфических антител к ним; мы надеемся использовать отечественную биочипную технологию для сотрудничества с этими программами с целью создания системы количественного определения клеточных белков;

Изучение взаимодействий клеточных белков друг с другом и другими клеточными лигандами, такими как ДНК и низкомолекулярные соединения; определение специфичности ДНК связывающихся белков с помощью полных олигонуклеотидных микрочипов описано ранее; значительно более сложной задачей является идентификация белков, специфически взаимодействующих друг с другом и лигандами, если хотя бы один компонент неизвестен; для этих случаев разработан метод идентификации связывающихся с микрочипом молекул с помощью масс-спектрометрии; на белковых микрочипах, содержащих иммобилизованные ферменты, можно проводить также кинетический анализ их субстратов и ингибиторов.

КЛЕТОЧНЫЕ МИКРОЧИПЫ

Многие прокариотические и эукариотические клетки, как известно, сохраняют свою жизнедеятельность и даже могут делиться, будучи фиксированы в гидрогеле. Это открывает ряд интересных возможностей, в том числе для создания клеточных биочипов как матричных биосенсоров для параллельного определения, например, ряда антибиотиков и ксенобиотиков. Бактериальный микрочип, содержащий иммобилизованные и резистентные к различным антибиотикам штаммы Е. сoli. Фотография прокрашенного гелевого элемента свидетельствует о распределении растущих клеток по всему объему геля. Кинетика деления и роста бактерий в геле микрочипа регистрируется окрашиванием клеток флюоресцентной краской. Рост бактерий зависит от резистентности клеток к антибиотику и его присутствия в среде. Рисунок показывает бактериальный микрочип, содержащий иммобилизованные в геле 4 штамма Е. coli, чувствительные и резистентные к антибиотикам тетрациклину, хлорамфениколу и смеси хлорамфеникола и ампициллина. Подавление роста бактерий в соответствующих элементах биочипа позволяет идентифицировать присутствие этих антибиотиков в среде. После построения калибровочной кривой содержание антибиотиков в среде может быть измерено количественно. Представляет интерес также создание микрочипов, содержащих животные и растительные клетки для определения широкого диапазона различных веществ в окружающей среде.

Учёные из Московского физико-технического института и ряда других российских научных центров создали необычный биочип (микросхему, использующую биологически активные молекулы) для диагностики рака толстой кишки. На данный момент обнаружить это заболевание крайне сложно, из-за чего его лечение обычно начинают слишком поздно. Новинка описана в статье , вышедшей в журнале Cancer Medicine .

Рак кишечника на начальных стадиях протекает внешне бессимптомно и часто обнаруживается только после появления косвенных следов раковой опухоли. Как известно, по мере развития опухоли её способность сопротивляться лекарствам и другим видам терапии резко растёт, из-за чего рак, замеченный на ранних стадиях, как правило, лечится, в то время как на поздних - довольно редко. Поэтому лишь 36% пациентов с этим заболеванием успевают прожить пять лет после постановки диагноза. Усугубляет ситуацию то, что данный вид рака - третий по распространённости среди всех вновь регистрируемых опухолей.

Для решения проблемы его ранней диагностики российские учёные разработали трёхмерный биочип на основе гидрогеля . Он представляет собой ряд связанных микропластинок, на которые нанесены структуры из гидрогеля, подобные микрогнёздам. В "гнёздах" находятся молекулярные зонды - биоактивные молекулы, которые взаимодействуют с веществами сыворотки крови, если в ней содержатся те соединения, на поиск которых нацелены зонды-молекулы.

Новинка реагирует на целый комплекс признаков, говорящих о наличии рака кишечника. Она отслеживает аутоантитела - те антитела иммунной системы, что нацелены на поиск и уничтожение раковых клеток. Сами по себе они часто встречаются в кровотоке, ведь в организме человека систематически появляются раковые клетки, большинство из которых уничтожается иммунитетом ещё до того, как успеют размножиться и образовать опухоль. Когда аутоантитела нацелены на борьбу с той или иной конкретной разновидностью рака, они реагируют на свойственные именно этому виду рака гликаны. Так называют биополимеры, сложенные из моносахаридов и играющие важную роль во взаимодействии клеток между собой. У здоровых и раковых клеток гликаны слегка отличаются по составу. Именно такие "неправильные" гликаны и ищет аутоантитело, чтобы идентифицировать и атаковать раковую клетку.

Авторы новой работы отмечают, что их биочип находит в сыворотке крови не только ассоциированные с раком кишечника аутоантитела, но и ряд других "меток" этого заболевания. В частности, речь идёт о белках-маркёрах, выделяемых раковыми клетками, и иммуноглобулинах (антитела) G, A и M.

Такой комплексный подход при экспериментальной проверке позволил добиться результатов, намного превосходящих все существующие методы диагностики рака кишечника. В соответствующем эксперименте приняло участие 33 пациента с соответствующим заболеванием. В качестве контрольных групп выступили 69 здоровых людей и 27 лиц с воспалительными заболеваниями кишечника. Чувствительность нового биочипа оказалась равна 87% - именно такую долю лиц с раком толстого кишечника ему удалось распознать. Хотя эта цифра может не показаться высокой, существующие на сегодня методы (безгликановые) имеют чувствительность всего в 21%, что в несколько раз ниже, чем у нового биочипа.

Авторы работы полагают, что разработанный ими метод является чрезвычайно перспективным для диагностики рака кишечника. Они надеются, что уже в скором времени созданные на его основе тест-системы появятся в клинических лабораториях нашей страны.

Открытие функционального значения тысяч генов и молекулярных механизмов действия множества ферментов стало революционным событием в биологии, оказавшим и продолжающим оказывать огромное влияние на развитие медицины XXI в. Перед учеными и медиками открылись уникальные возможности для выяснения причин многих инфекционных и наследственных заболеваний, а также разработки эффективных методов их лечения. В свою очередь, развитие новых диагностических методов потребовало и создания новых технологий многопараметрического анализа биологических образцов, с помощью которых можно одновременно исследовать множество белковых и ДНК-маркеров различных заболеваний, функционально-значимых биологических макромолекул и их комплексов. Так появилась технология биологических микрочипов, способных, подобно микрочипам электронным, извлекать и обрабатывать огромные массивы информации из одного небольшого образца биологического материала, полученного от конкретного пациента.

За последние десятилетия был накоплен огромный объем знаний о молекулярных основах биохимических процессов в живых организмах. Это дало возможности не только точно диагностировать то или иное заболевание, но и оценить вероятность его возникновения еще до проявления у пациента клинических симптомов, а также подобрать эффективную терапию. Подавляющую часть такой информации получают с помощью лабораторной диагностики, на которую в мире ежегодно расходуется свыше 100 млрд долларов. В России в 1970 г. она насчитывала 81 биохимический / молекулярный тест, в 2000 г. - 170, а сегодня число тестов измеряется тысячами!

Большинство важнейших современных методов молекулярной диагностики основано на анализе данных, полученных при исследовании структуры геномов человека и микроорганизмов. В первую очередь речь идет о полимеразной цепной реакции (ПЦР). Обычно ДНК содержится в образцах в минимальных количествах, однако с помощью ПЦР можно в миллионы раз «размножить» в исследуемой пробе биоматериала определенные фрагменты этих макромолекул. «Мишенями» могут служить бактериальные или вирусные гены, генетические маркеры раковых опухолей и т. п. С помощью этого метода можно определить наличие, к примеру, возбудителя болезни, даже если в пробе присутствует всего несколько молекул его ДНК.

Однако возможности методов, базирующихся на ПЦР, ограничены в случае, когда речь идет об одновременном анализе десятков и сотен различных биомаркеров. И здесь на первый план выходит уже успешно зарекомендовавшая себя технология биологических микрочипов (биочипов). Достоинство этой технологии в том, что тест проводится в формате «один образец - один реакционный объем биочипа», т. е. образец не нужно разделять на несколько частей и их отдельно анализировать. Такой формат намного повышает чувствительность анализа и снижает его трудоемкость и стоимость, что дает возможность клинико-диагностическим лабораториям тестировать десятки и сотни образцов за одну рабочую смену.

Сегодня ведущие научные журналы регулярно публикуют обзоры, посвященные биологическим микрочипам, которые производят многие десятки компаний, а объем продаж составляет сотни миллионов долларов в год. Вместе с тем сама идея создания биочипов родилась лишь четверть века назад, и одним из мест рождения этой технологии стал Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук.

С самого начала подход российских исследователей отличался удачным выбором ключевых технологических решений, благодаря которым технологии биочипов ИМБ РАН продолжают оставаться конкурентоспособными в мировой науке. Многие из этих подходов (например, замена радиоактивных меток на флуоресцентные, применение гидрогеля и элементов сферической формы) стали использовать в своей работе другие исследователи, занимающиеся разработкой биочипов. А с 2000 г. в ИМБ РАН при поддержке Международного научно-технического центра начались работы по созданию биочипов для медицинской диагностики возбудителей социально значимых заболеваний.

Биочипы в деле

Главным элементом любого биочипа служит матрица из сотен и тысяч микроячеек, каждая из которых содержит так называемые молекулярные зонды - молекулы, способные специфично связываться только со строго определенными биологическими молекулами или их фрагментами. Зондами могут служить олигонуклеотиды, участки геномной ДНК, РНК, антитела, олигосахариды, различные низкомолекулярные соединения и др. Каждая ячейка биочипа служит своего рода отдельной «нанопробиркой», где иммобилизованный зонд распознает в анализируемом образце только свою мишень. Таким образом удается проводить параллельное распознавание сразу множества мишеней, например, генов, ответственных за лекарственную устойчивость возбудителя болезни.

Принципиальное отличие технологии матричных биочипов, разработанной в ИМБ РАН, в том, что зонды располагаются не на плоской подложке, а в заполимеризованных «каплях» гидрогеля полусферической формы. Размещение молекулярных зондов в трехмерном объеме, а не на плоскости, дает ряд существенных преимуществ. Оно позволяет в десятки и сотни раз увеличить емкость биочипа на единицу поверхности и, соответственно, чувствительность измерений. Кроме того, гель - насыщенное водой желеобразное вещество, исключает возможность взаимодействия зондов друг с другом и с твердой поверхностью подложки, а также обеспечивает отличную изоляцию отдельных ячеек на биочипе.

Для регистрации результатов анализа используют флуоресцентные метки, которые вводят в молекулы образца. Если зонд специфично распознает и свяжется с мишенью, в ячейке возникает флуоресценция . Интенсивность свечения ячеек биочипа измеряется с помощью специальных аппаратно-программных комплексов-анализаторов, которые и выдают отчет о присутствии в исследуемом образце специфичных молекулярных мишеней, информирующих о наличии микроорганизмов или генных мутаций, онкомаркеров или аллергенов и т. п.

Оригинальная технология создания таких гелевых чипов, разработанная в ИМБ РАН, была запатентована и сертифицирована по европейским стандартам. Биочипы, созданные по этой технологии, занимают отдельную нишу диагностических микроматриц и применяются в российских клиниках. Коммерческие микроматрицы, произведенные ведущими научно-производственными корпорациями Германии и США применяются, в основном, в исследовательских целях.

Россия - пионер «биочипостроения»

Большие матрицы с ДНК и белками, иммобилизованными на фильтре или зафиксированными в лунках планшета, были известны достаточно давно. Но идея о создании микрочипов современного формата появилась лишь в конце прошлого века. Первая работа по ДНК-микрочипам и одна из первых - по белковым чипам были опубликованы группой академика А. Д. Мирзабекова из московского Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта АН СССР (Khrapko et al. , 1989; Arenkov et al., 2000).

Эта революционная идея родилась как предложение для нового метода секвенирования ДНК с использованием гибридизации - процесса объединения двух комплементарных одноцепочечных молекул ДНК в двуцепочечную. Работы по совершенствованию методик секвенирования были стимулированы все более возраставшим интересом к проблеме расшифровки генома человека.

В то время в научной среде широко дискутировался вопрос, должна ли эта задача решаться масштабированием существующих подходов или нужно разрабатывать новые, более эффективные. Ученые сначала пошли по первому пути. Так, в 1977 г. появился «метод Сенгера», основанный на ферментативном синтезе комплементарной последовательности ДНК на матрице анализируемой одноцепочечной ДНК, а его разработчики получили в 1980 г. Нобелевскую премию. В своей нобелевской речи один из лауреатов, американский биохимик У. Гилберт, отметил, что «идея метода пришла только после второго визита А. Мирзабекова» в его лабораторию (Gilbert, 1984).

При секвенировании гибридизацией «расшифровка» ДНК идет не отдельными буквами-нуклеотидами, а «словами» определенной величины, и такой словарь может содержать тысячи слов. Стала очевидной необходимость создания микрочипов: в это время и вышла первая статья ученых из ИМБ, где были описаны приготовление и свойства гелевых микрочипов (Khrapko et al., 1989).

Технология производства гелевых биочипов прошла несколько этапов развития. Технология первого поколения, еще достаточно громоздкая и несовершенная, была разработана и запатентована в ИМБ в 1989–1993 гг., а впоследствии реализована в совместной лаборатории, организованной институтом и Аргоннской национальной лабораторией (США), и лицензирована американскими компаниями Motorola и Packard Instruments . Однако из-за технологических проблем фирмы стали производить биочипы, матрица которых представляла собой поверхность, сплошь покрытую полиакриламидным гелем.

В ИМБ РАН технология гелевых биочипов продолжала развиваться. Современная, достаточно простая, универсальная и дешевая технология позволяет производить даже в лабораторных условиях сотни и тысячи олигонуклеотидных, ДНКовых или белковых микрочипов в день (Колчинский и др., 2004).

Туберкулез и лекарственная устойчивость

Первой в мире тест-системой на основе биочипов, зарегистрированной для медицинского применения, стал разработанный в ИМБ в 2004 г. набор «ТБ-Биочип-1». С его помощью можно определить наличие в геноме микобактерии туберкулеза 47 мутаций, приводящих к устойчивости к двум основным противотуберкулезным препаратам - рифампицину и изониазиду .

Почему внимание исследователей привлек именно туберкулез? Дело в том, что многие десятилетия для борьбы с этой болезнью использовали комбинированное лечение сразу несколькими химиопрепаратами, чтобы повысить его эффективность. При монотерапии больные быстро приобретали устойчивость к лекарству. Однако такая стратегия привела к тому, что уже в конце прошлого века в мире, в том числе и в России, начал повсеместно распространяться туберкулез со множественной лекарственной устойчивостью . Именно этот фактор в наши дни чаще всего является причиной неудачного исхода лечения и возникновения рецидива болезни, от которой ежегодно в мире умирает более 3 млн человек.

Изониазид и рифампицин относятся к популярным и наиболее эффективным препаратам первого (основного) ряда. И если выделенный от пациента возбудитель окажется устойчивым к этим лекарствам, нужно обращаться к химиопрепаратам второго (резервного) ряда, к которым будет чувствительна эта бактериальная популяция. Сегодня одними из наиболее перспективных препаратов для лечения таких форм туберкулеза являются фторхинолоны . Поэтому следующей тест-системой в ряду диагностических тестов ИМБ стал «ТБ-Биочип-2», с помощью которого можно выявить лекарственную устойчивость к различным классам этих препаратов (Грядунов и др., 2009).

Все более широкое распространение форм туберкулеза со множественной лекарственной устойчивостью явилось стимулом для дальнейшей «эволюции» тест-системы. Требовалось, во-первых, максимально охватить весь спектр генетически детерминированной резистентности к широкому ряду противотуберкулезных препаратов. Во-вторых, возникла необходимость определять генотип и соответственно принадлежность выделенного штамма к основным семействам, циркулирующим на территории РФ, что важно не только для эпидемиологического мониторинга структуры популяции возбудителей туберкулеза, но и для назначения адекватной терапии.

Так в 2012–2013 гг. в результате масштабных геномных исследований был создан не имеющий мировых аналогов набор реагентов «ТБ-ТЕСТ», позволяющий одновременно идентифицировать 120 генетических локусов, отвечающих за развитие устойчивости к препаратам первой и второй «линии обороны»: рифампицину, изониазиду, этамбутолу, фторхинолонам и инъекционным препаратам (амикацину и капреомицину) (Zimenkov et al., 2016). Такая диагностика позволяет дифференцированно назначать высокие дозы химиопрепаратов или, напротив, удалять те или иные лекарства из схем терапии.

Чтобы получить государственную регистрацию в Росздравнадзоре, тест-система прошла все виды испытаний и экспертиз и с 2014 г. разрешена к применению в медицинской практике РФ. В настоящее время «ТБ-ТЕСТ» приходит на смену наборам «ТБ-Биочип».

От гепатита до рака и аллергий

Еще одной актуальной проблемой мирового здравоохранения является лечение больных гепатитом С. Возбудитель этого вирусного заболевания может долгое время размножаться в печени, ничем не выдавая себя, а первые признаки болезни обнаруживаются лишь спустя пару месяцев после заражения. Еще недавно гепатит С считался практически неизлечимой болезнью, а основным терапевтическим средством служила комбинация из интерферона и рибавирина , которая зачастую оказывалась неэффективной и имела много негативных побочных эффектов.

Сегодня созданы новые антивирусные препараты, обладающие так называемым прямым противовирусным действием и блокирующие ключевые внутриклеточные этапы размножения возбудителя. Но вся сложность в том, что вирус гепатита С имеет 7 вариантов генотипа, при этом каждый генотип имеет еще несколько подтипов. Более того, разные генотипы / подтипы обладают и разной чувствительностью к традиционным и новым препаратам, и выбор противовирусной терапии должен проводиться в соответствии с генотипическими особенностями возбудителя.

В ИМБ РАН совместно с лабораторией вирусологии госпиталя Университета г. Тулузы (Франция) был разработан и запатентован не имеющий мировых аналогов подход, основанный на использовании платформы гидрогелевых биочипов для типирования вируса гепатита С на основе анализа области NS5B вирусного генома. Тест-система «HCV-Биочип», способная определять 6 генотипов и 36 подтипов этого вируса, успешно прошла клинические испытания в России и Франции (Gryadunov et al., 2011).

Важнейшим направлением приложения технологии гидрогелевых биочипов служит анализ мутаций и полиморфизмов ДНК самого человека: ДНК-маркеров, ассоциированных с возникновением различных неинфекционных заболеваний.

Среди онкологических заболеваний у детей ведущее место занимают лейкозы. Тест-система «ЛК-Биочип» способна идентифицировать в образцах крови 13 наиболее клинически значимых хромосомных транслокаций (переносов фрагмента одной хромосомы на другую), характерных для некоторых типов острых и хронических лейкозов. Каждая из этих транслокаций определяет свой вариант развития лейкоза и важна для выбора стратегии лечения. Эта тест-система применяется в Национальном научно-практическом центре детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева (Москва), где анализируются образцы из 18 региональных гематологических центров РФ (Gryadunov et al. , 2011).

Для ранней диагностики рака молочной железы и яичников создана тест-система «РМЖ-Биочип», которая позволяет определять мутации в генах BRCA1/2, ассоциированные с высокой (до 80%) вероятностью возникновения наследственных форм этих заболеваний.

В настоящее время в ИМБ РАН разрабатываются варианты тест-систем на основе биочипов для определения чувствительности злокачественных клеток к противоопухолевой терапии. Например, с помощью биочипа для индивидуального подбора препаратов, эффективно воздействующих на молекулярные мишени в опухолевых клетках меланомы, можно выявить мутации генов, которые определяют целесообразность использования таких препаратов таргетной («молекулярно-прицельной») терапии поздних стадий и рецидивов меланомы, как траметиниб , иматиниб и вемурафениб (Emelyanova et al., 2017).

Трехмерная структура гидрогеля, в котором на биочипах зафиксированы молекулярные зонды, позволяет сохранить без изменений достаточно «чувствительную» нативную структуру белковых молекул. Поэтому такие биочипы можно использовать также для исследования белок-белковых взаимодействий, что требуется, к примеру, при проведении различных видов иммунохимического анализа.

В ИМБ РАН удалось перевести такой классический анализ в формат микрочипа и адаптировать его для диагностики аллергических заболеваний. Совместно с германской биотехнологической компанией Dr. Fooke Laboratorien GmbH , предоставившей наборы природных и рекомбинантных аллергенов, была разработана и запатентована тест-система «Аллерго-Биочип» для параллельного количественного определения больших панелей аллерген-специфичных антител Е и G4 в сыворотке крови (Feyzkhanova et al., 2017).

Важно, что для анализа антител на 30 и более аллергенов на биочипе требуется очень небольшой (всего 60 мкл) объем сыворотки крови - ровно столько, сколько требуется для анализа на один аллерген традиционным иммуноферментным методом! Такое отличие особенно значимо в педиатрии. Лабораторный вариант этой тест-системы уже проходит доклинические испытания в Детской городской клинической больнице № 13 им. Н. Ф. Филатова (Москва).

Двенадцать специализированных тест-систем, созданных на основе технологии гидрогелевых биочипов в ИМБ РАН, получили разрешение к применению как медицинские изделия для лабораторной диагностики. Эти тест-системы успешно используются более чем в 50 научно-исследовательских и медицинских центрах РФ, стран СНГ и ЕС.

Технологии биочипов, разработанные в ИМБ РАН, защищены 42 отечественными и международными патентами. И эти технологии продолжают интенсивно развиваться. Разрабатываются новые подходы, позволяющие упростить и ускорить методики, интегрировать в единую процедуру все стадии проведения анализа: от обработки биологического образца до количественной идентификации в режиме реального времени.

Ядро системы - гидрогелевый биочип - будет в дальнейшем модифицироваться в зависимости от назначения диагностического теста, в то время как остальные компоненты уже сейчас являются унифицированными. Такие «лаборатории на чипе» позволят значительно улучшить качество лабораторной диагностики, снизить вероятность заражения медперсонала и в конечном счете повысить эффективность и сократить стоимость лечения.

Литература
1. Грядунов Д. А., Зименков Д. В., Михайлович В. М. и др. Технология гидрогелевых биочипов и ее применение в медицинской лабораторной диагностике // Медицинский алфавит. 2009. № 3. С. 10–14.
2. Заседателев А. С. Биологические микрочипы для медицинской диагностики // Наука и технологии в промышленности. 2005. № 1. С. 18–19.
3. Колчинский А. М., Грядунов Д. А., Лысов Ю. П. и др. Микрочипы на основе трехмерных ячеек геля: история и перспективы // Молекулярная биология. 2004. Е. 38. № 1. С. 5–16.
4. Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., et al. Protein microchips: use for immunoassay and enzymatic reactions // Analytical Biochemistry . 2000. V. 278. N. 2. P. 123–131.
5. Emelyanova M., Ghukasyan L., Abramov I. et al. Detection of BRAF, NRAS, KIT, GNAQ, GNA11 and MAP2K1/2 mutations in Russian melanoma patients using LNA PCR clamp and biochip analysis // Oncotarget . 2017. V. 32. N. 8. P. 52304–52320.
6. Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O. et al. Development of a microarray-based method for allergen-specific IgE and IgG4 detection // Clinical proteomics . 2017. doi: 10.1186/s12014-016-9136-7.
7. Gryadunov D., Dementieva E., Mikhailovich V. et al. Gel-based microarrays in clinical diagnostics in Russia // Expert review of molecular diagnostics. 2011. N. 11. P. 839–853.
8. Khrapko K. R., Lysov Yu. P., Khorlyn A. A. An oligonucleotide hybridization approach to DNA sequencing // FEBS Letters . 1989. V. 256. N. 1-2. P. 118–122.
9. Zimenkov D. V., Kulagina E. V., Antonova O. V., et al. Simultaneous drug resistance detection and genotyping of Mycobacterium tuberculosis using a low-density hydrogel microarray // Journal of antimicrobial chemotherapy . 2016. V. 71. N. 6. P. 1520–1531.

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?