Возможности биочипов
|
Расшифровка структуры генома человека, а также многих вирусов, бактерий, животных и растений окажет решающее влияние на развитие медицины XXI века. Открываются тысячи генов, устанавливаются их функциональное значение и роль при разных болезнях, появляются уникальные возможности для выяснения этиологии многих наследственных заболеваний, различных типов рака. Ожидается также стремительное развитие фармакогенетики и прогностической медицины. Однако в настоящее время анализ множества клеточных белков, генов представляет сложнейшую экспериментальную задачу. Один из эффективных путей ее решения - развитие технологии биологических микрочипов (биочипы).
Биочипы, подобно электронным микрочипам, позволяют в достаточно простых экспериментах собирать и обрабатывать огромные объемы биологической информации. Эти устройства способны произвести настоящую революцию в диагностике. Недорогой, точный и удобный метод анализа пригодится специалистам в самых разных областях - медицине, ветеринарии, экологии, криминалистике. Использованию биочипов в медицинской диагностике было посвящено очередное заседание президиума РАМН, на котором прозвучал доклад одного из создателей этой технологии - директора Института молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН академика Андрея Мирзабекова. Как компьютерные чипы, которые осуществляют миллионы математических операций в секунду, биочипы в состоянии быстро собирать огромные объемы биологической информации. Используя биочипы с последующей компьютерной обработкой данных, ученые могут найти одно генетическое изменение среди 3 млрд оснований ДНК за считанные минуты (при использовании традиционных методов требуются дни). Простейший биочип представляет собой стеклянную пластину с нанесенными на нее тысячами площадок в виде ямок из геля, в которые вносятся капельки пробы. В каждом кусочке содержатся молекулы-зонды, способные вылавливать из раствора определенные молекулы. Например, к одному гелевому квадратику может прикрепляться нормальный ген, а к соседнему тот же ген, но с мутацией. Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН одним из первых в мире начал разработку биологических микрочипов (первая публикация появилась в 1989 г.). В 1995-2000 гг. эти разработки продолжались в совместном центре биологических микрочипов ИМБ и Аргонской национальной лаборатории (США), возглавляемом академиком А.Мирзабековым. В разрабатываемых в ИМБ современных микрочипах иммобилизация проводится не на плоской двухмерной стеклянной или полимерной поверхности, а в трехмерном объеме гелевых элементов микрочипа. Это позволяет на 2-3 порядка увеличить количество иммобилизованных молекул и, соответственно, повысить чувствительность измерений. Каждый элемент геля - это своего рода пробирка объемом в доли нанолитра для проведения в ней специфических химических и ферментативных реакций. Совместные разработки с отечественными и зарубежными исследователями и клиницистами позволили продемонстрировать перспективность применения биочипов в ряде направлений. Проблемой национальной безопасности стала в России эпидемия туберкулеза, штаммы которого все чаще являются устойчивыми к лекарственным препаратам. ИМБ совместно с ММА им. И.М.Сеченова, ЦНИИ туберкулеза РАМН, ГНЦ "Вектор" МЗ РФ разработали микрочипы для идентификации микобактерии туберкулеза и ее резистентных форм как в культуре, так и в биологических пробах пациентов. Биочип содержит олигонуклеотидные пробы на 30 наиболее распространенных мутаций, обусловливающих резистентность к рифампицину. Анализ биочипов занимает около суток, в то время как стандартный микробиологический анализ требует нескольких недель, что совершенно неприемлемо при быстром течении болезни. В применении биочипы очень просты, и себестоимость анализа при их массовом производстве не будет превышать 3-4 долл. В настоящее время проводится государственная сертификация метода. Уже существуют биочипы для быстрой идентификации с высокой чувствительностью спор сибирской язвы, возбудителя чумы и вируса оспы. Создаются также биочипы для анализа 10-15 патогенных микроорганизмов и вирусов в донорской крови, которые позволят проводить ее тестирование в течение нескольких часов с высокой надежностью при минимальных затратах. В сотрудничестве с Гематологическим научным центром РАМН экспериментально продемонстрирована эффективность микрочипного анализа на ВИЧ и вирусы гепатита В и С. Биологов интригует вопрос, как регулируется работа генов. Хотя об этом известно очень много, знания в основном получены на отдельных генах, а потому не возникает цельной картины регуляции активности всего генома. Биочип можно использовать, чтобы определить, какие гены работают в данной клетке, а какие молчат. В результате появляется возможность получить информацию о функциональном состоянии всех генов любой клетки на любой стадии развития. Таким образом, биочипы являются идеальным инструментом для анализа человеческого генома и его функционирования, и дальнейшее развитие этой технологии станет значительным шагом в выявлении генетических дефектов и предрасположенности к разным заболеваниям, создании фармакогенетики. Простейшим примером является анализ уже известных нуклеотидных вариаций в определенных участках генома. В этом случае соответствующая область генома амплифицируется с помощью ПЦР, и амплифицированная ДНК гибридизируется со специфическими олигонуклеотидными пробами биочипа. Последующий анализ проводится с помощью количественной гибридизации флуоресцентно меченной ДНК или путем использования различных ферментативных реакций. Таким образом проводится анализ на мутации, вызывающие, например, бета-талассемию или рак молочной железы. ИМБ совместно с Российским кардиологическим научно-производственным комплексом МЗ РФ проводит анализ мутаций, приводящих к гиперхолестеринемии, а совместно с Рокфеллеровским университетом (США) выделяет гены, отвечающие за наследственную предрасположенность к наркомании. Разработана также методика анализа хромосомных перестроек, приводящих к развитию онкогематологических заболеваний. Такая молекулярная диагностика транслокаций проведена у более чем 200 пациентов Морозовской детской клинической больницы Москвы. Она показала свою эффективность при выборе протоколов специфической химиотерапии и решении вопроса о трансплантации костного мозга. Количество направлений в медицине, где биочипы уже с успехом применяются на практике, увеличивается с каждым годом. Особенно приятно отменить, что эти технологии развиваются в России опережающими темпами по сравнению с ведущими западными странами. Федор СМИРНОВ. |