Biočip za detekciju stanica raka. Biočip ili mikromatrica je uređaj za ranu dijagnostiku stanica raka, praćenje liječenja raka i praćenje izlječenja. Laboratorija za poštanske marke

Biočipove stvorene na Institutu za molekularnu biologiju ne treba nigdje ugrađivati.

Ove male stvari mogu u jednom danu reći kojim lijekovima treba liječiti tuberkulozu kod određenog pacijenta, razlikovati strašni virus ptičje gripe od drugih virusa i pokazati postoji li vjerojatnost da će osoba dobiti rak.

POVIJEST "RUSKOG BIOČIPA"

Teško je povjerovati da minijaturni uređaj montiran na predmetno staklo (na kakvo se obično stavlja lijek za ispitivanje pod mikroskopom) može zamijeniti cijeli dijagnostički laboratorij. Ali stvarno je! "Kao i elektronički čipovi, biočipovi obrađuju veliku količinu informacija metodom paralelne analize", objašnjava Dmitrij Grjadunov, zaposlenik laboratorija za biološke mikročipove IMB. Jednostavnije rečeno, istovremeno se na jednom čipu provodi mnogo - do nekoliko stotina - svih vrsta analiza.

Još više iznenađuje povijest podrijetla biočipa, koji je čisto domaći proizvod, nije slučajno što ga u inozemstvu još uvijek nazivaju "ruskim biočipom". Sve je počelo kasnih 80-ih godina prošlog stoljeća, kada je tim znanstvenika s Instituta za molekularnu biologiju Ruske akademije znanosti (IMB), predvođen akademikom Andrejem Mirzabekovim, koji je nažalost preminuo rano 2003. godine, krenuo u proizvodnju univerzalni minijaturni analizator. Ideja je, naravno, već bila u zraku. Ali samo su naši stručnjaci uspjeli ovu ideju oživjeti.

Kao što je rekao Andrej Mirzabekov, u to je vrijeme cijeli svijet bio fasciniran procesom dešifriranja ljudskog genoma, a on i njegovi kolege predložili su korištenje biočipova u tu svrhu. Ali vrlo brzo su shvatili da novi uređaji mogu biti korisni za rješavanje raznih praktičnih problema, pa su požurili poduzeti sljedeći korak - razviti tehnologiju. I uspjeli su! Biočipovi su započeli svoj pobjednički pohod svijetom.

Sredinom 90-ih, kada je financiranje ruske znanosti gotovo potpuno prestalo, akademik Mirzabekov pozvan je u američki Nacionalni laboratorij Argonne. Naveo je da će raditi u Chicagu samo ako stvore zajedničku istraživačku skupinu u kojoj bi bili i američki i ruski stručnjaci. Tako su ruski molekularni biolozi uspjeli preživjeti "vesele 90-e", najteže za rusku znanost. Tijekom rada u SAD-u dobili su više od 10 patenata. Zarađenim novcem kupili su opremu i napravili cjelovit laboratorij na IMB-u.

“Ruski biočip”, kako su ga zvali u inozemstvu, dobio je priznanje. Pravo na korištenje tehnologije kupili su Motorola i HP, a zatim su registrirali svoj patent za modificiranu tehnologiju. Kao odgovor na to, znanstvenici IMB-a razvili su i patentirali bolju tehnologiju.

NAPAD NA TBC

Prvi objekt za probu nove metode bila je tuberkuloza. Svake godine u svijetu se njome zarazi oko 30 milijuna ljudi, oko 2 milijuna umre od nje. Posebno teška situacija s tuberkulozom razvila se u Rusiji, gdje je 1990-ih, zbog brojnih socijalni problemi uzročnici tuberkuloze - mikobakterije, ili, kako ih još nazivaju, Kochovi štapići, mutirali su, postajući imuni na tradicionalne lijekove. Do danas je poznato oko 40 mutantnih sojeva.

U tradicionalnom pristupu, nakon što se rendgenski dijagnosticira tuberkuloza, pacijent se liječi takozvanim lijekovima prve linije, koji uključuju rifampicin i izoniazid. Paralelno se provodi mikrobiološka studija patogena kako bi se utvrdila njegova osjetljivost na ove lijekove. To traje dva do tri mjeseca. A kada se pokaže da ti lijekovi ne djeluju na ovaj oblik mikobakterije, pacijent već nekoliko mjeseci uzima nepotrebne i k tome štetne lijekove, uspjevši prenijeti na lijekove rezistentni oblik tuberkuloze svima kod kojih je dolazio. stupiti u kontakt sa. Naravno, liječnici još uvijek imaju na zalihama lijekove druge linije, ali i njima se može dogoditi ista priča. Stoga je brza i točna dijagnoza tuberkuloze vrlo, vrlo važna.

Ako se koriste biočipovi, dijagnoza se može postaviti za manje od jednog dana. DNK se izolira iz pacijentovog uzorka i izvodi se lančana reakcija polimerazom (PCR) da se opetovano umnoži dio DNK gdje se mogu pojaviti mutirani geni otpornosti na antibiotike. Naknadna analiza na biočipu pomoći će odrediti kojim je od desetaka mutantnih sojeva tuberkuloze pacijent zaražen. Ali ti čarobni biočipovi tek su trebali biti stvoreni.

Od 1998. znanstvenici iz IMB-a, zajedno sa stručnjacima iz Moskovskog centra za borbu protiv tuberkuloze, bore se za rješavanje ovog problema. Godine 2004. njihov je trud okrunjen uspjehom - certificirana je dijagnostika pomoću biočipova. Danas se proizvode dvije vrste uređaja: za otkrivanje osjetljivosti mikobakterija na lijekove prve i druge linije. „Proizvodimo 1,5-2 tisuće biočipova mjesečno, au budućnosti ćemo doći do 3-4 tisuće", kaže Viktor Barsky. „Iako zemlji treba najmanje 2 milijuna biočipova godišnje. Ali ovo je tzv. Insolventna potražnja Naši biočipovi koriste se u 8 TB dispanzera u Rusiji: u Moskvi, St. Petersburgu, Jekaterinburgu, Novosibirsku, Kazanu i Saratovu. Sada smo primili narudžbu za opremanje još 10 medicinski centri". Također je sklopljen sporazum s Glavnom upravom za izvršenje kazni Ministarstva pravosuđa Ruske Federacije o dijagnozi tuberkuloze kod zatvorenika. Važnost ove odluke teško se može precijeniti, jer su upravo u ruskim logorima Tuberkuloza otporna na lijekove nastala je i pobrala svoju strašnu žetvu diljem svijeta.

BIOČIP IZAZIVA RAK

Međutim, istraživači IMB-a nisu tu stali. Uspjeli su stvoriti biočipove za dijagnostiku određenih vrsta raka. Ovih biočipova ima nekoliko vrsta i funkcionišu bitno drugačije.

Uz pomoć jedne vrste biočipova moguće je, primjerice, identificirati predispoziciju za rak dojke, jajnika, prostate itd. „To se postiže zahvaljujući tome što naši biočipovi vide postoje li mutacije u genom određene osobe s predispozicijom za rak," objašnjava Viktor Barsky. „Ali takve je biočipove teško certificirati, budući da pokazuju samo vjerojatnost bolesti, a, na sreću, osoba se možda neće razboljeti."

Drugačija je situacija s biočipovima za dijagnosticiranje raka krvi i leukemije. Uzrokovana je raznim kromosomskim preraspodjelama. Izvana se ove vrste leukemije ne razlikuju jedna od druge, ali ih je potrebno tretirati drugačije. Kod nekih leukemija pacijent se može izliječiti modernim lijekovima, dok kod drugih - ne treba ni pokušavati, potrebno je odmah napraviti transplantaciju koštana srž. Biočipovi vam omogućuju da odmah identificirate koja je vrsta kromosomskih preraspodjela uzrokovala leukemiju, što omogućuje liječniku da u početku odabere pravu strategiju liječenja. Sada su biočipovi za dijagnozu leukemije u procesu certifikacije. Također, biočipovi vam omogućuju da odmah razlučite od kojeg oblika raka dojke - dobro ili loše izlječivog - pacijentica boluje.

I konačno, zahvaljujući biočipovima, san mnogih generacija liječnika o dijagnosticiranju raka u najranijim stadijima bolesti, kada je još lako izlječiv, postao je stvarnost. Ova tehnika temelji se na činjenici da se kod određenih vrsta raka u krvi pojavljuju određeni tumorski markeri proteini, a biočipovi ih dijagnosticiraju. Istina, za pronalaženje i analizu tumorskih markera potrebni su ne DNK, već proteinski biočipovi. Sonde u njima su antigenski proteini koji prostorno odgovaraju proteinima antitijela u krvi bolesnika. No, ruski znanstvenici nisu usamljeni na ovom području. Takvi se biočipovi vrlo uspješno proizvode u inozemstvu. Domaći znanstvenici trebali bi se jako potruditi pobijediti u ovoj konkurentskoj borbi.

majstor svih zanata

Ali opseg biočipova nije ograničen na ovo. Biočipovi se proizvode za različite namjene. Identificirati uzročnike influence A, uključujući ptičju influencu, herpes, hepatitis B i C, razne infekcije u trudnica i novorođenčadi, odrediti predispoziciju za kardiovaskularne bolesti. A ima i onih koji mogu poslužiti kriminolozima, jer određuju spol i krvnu grupu. Znanstvenici rade na biočipovima za otkrivanje toksina stafilokoka, kolere, difterije, tetanusa, uzročnika antraksa i kuge te varijanti virusa malih boginja. „Uz pomoć biočipova moguće je odrediti hoće li osoba tolerirati ovaj ili onaj lijek, pa čak i koliko je osoba genetski prikladna za određeno zanimanje", kaže Viktor Barsky. „Na primjer, postoje geni odgovorni za dobra otpornost na nedostatak kisika To znači "Vlasnici ovih gena mogu raditi, na primjer, na visini. Ti se geni mogu identificirati."

Moram reći da se druge istraživačke skupine također bave biočipovima u Rusiji. Biočip za ekspresnu dijagnostiku virusa gripe razvijaju znanstvenici s Istraživačkog instituta za influencu Ruske akademije medicinskih znanosti u St. Petersburgu zajedno s Institutom za bioorgansku sintezu u Moskvi. Ovaj uređaj izgleda kao kreditna kartica s ugrađenim receptorima za prepoznavanje ljudskih i ptičjih virusa. Kako je objasnio Oleg Kiselev, akademik Ruske akademije medicinskih znanosti, ravnatelj instituta, nanošenjem biološkog materijala bolesne ptice na biočip može se brzo otkriti od koje vrste virusa gripe boluje.

Stručnjaci Državnog istraživačkog instituta za eksperimentalnu medicinu Ruske akademije medicinskih znanosti razvijaju biološki mikročip za otkrivanje ranoj fazi jedna od teških komplikacija dijabetes- dijabetička nefropatija. Ovo je proteinski biočip, sonde na njemu su fragmenti genetski modificiranog G proteina koji veže ljudski albumin. Biočip je u stanju uhvatiti vrlo male koncentracije albumina u urinu, koje ukazuju na oštećenje bubrega, te pratiti promjenu ovog pokazatelja tijekom cijelog tretmana.

U Hematološkom istraživačkom centru Ruske akademije medicinskih znanosti stvaraju se proteinski biočipovi na bazi imunoglobulina koji omogućuju otkrivanje patogena u krvi. razne bolesti, kao i antitijela, hormone, citokine i tumorske stanice.

HOĆE LI NAM POMOĆI INOZEMSTVO?

Od svog izuma, ruski biočipovi stekli su zasluženu popularnost kako u našoj zemlji tako iu inozemstvu. "Postoje europski partneri koji su zainteresirani za najšire moguće uvođenje naše tehnologije", kaže Alexander Zasedatelev, zamjenik direktora za znanost na IMB RAS, doktor bioloških znanosti. tretirati drugačije. Uskoro će se koristiti u drugim francuskim bolnicama." Ruski biočipovi za dijagnosticiranje raka krvi uspješno se koriste u Brazilu. U zemljama bivšeg ZND-a tehnologija će se koristiti u Bjelorusiji, Ukrajini, Kirgistanu. Bio je i zahtjev iz Koreje. U Sjedinjenim Državama nekoliko organizacija ima ruske uređaje i biočipove: Centri za kontrolu bolesti, Uprava za hranu i lijekove i bolnica u Arkansasu koja liječi tuberkulozu među migrantima. „Naše biočipove ne prodajemo u inozemstvo, već ih prenosimo u sklopu znanstvenih projekata“, naglašava Victor Barsky. Za biočipove su se otvorile sasvim neočekivane perspektive: ne tako davno NASA se zainteresirala za mogućnost njihove uporabe za otkrivanje izvanzemaljskog života.

Naravno, biočipovi se proizvode i u inozemstvu: nekoliko biotehnoloških tvrtki u SAD-u (Affymetrix, Clontech, Motorola itd.), u Japanu (Hitachi, Matsushita, Fuji), te u Europi. Amerikanci su postigli rekordan broj DNK sondi postavljenih na jednu matricu: do desetaka i stotina tisuća. Domaćih biočipova ima relativno malo veliki broj stanice sa sondama: od 1000 do 4000. Ali za dijagnozu bilo koje skupine bolesti to je sasvim dovoljno. Zbog jednostavnosti, bilo je moguće smanjiti cijenu i pojednostaviti analizu. "Cijena jedne analize uz pomoć ruskog biočipa je 500 rubalja", kaže Dmitrij Grjadunov, "a u SAD-u jedna analiza košta 2000 dolara. Stoga su naši biočipovi, za razliku od stranih, pogodni za masovnu upotrebu."

Posljednjih godina biočipovi su zainteresirali i Rusiju. Projekt Biochips dobio je vladin ugovor sa Saveznom agencijom za znanost i inovacije (Rosnauka) kao dio prioritetnog područja Živi sustavi.

LABORATORIJ VELIČINE MARKE

Biočip je raspoređen na sljedeći način. Na matrici-supstratu nalazi se mnoštvo stanica s hidrogelom (promjera oko 100 mikrona, tako da se po kvadratnom centimetru može smjestiti do tisuću stanica). Stanice sadrže molekule sonde: ovisno o namjeni biočipa, to mogu biti fragmenti DNA, RNA ili proteini. Svaka ćelija je analog mikroepruvete u kojoj se odvija reakcija između molekula sonde i molekula ispitnog uzorka. Ako se te molekule slažu kao ključ u bravu, dolazi do tzv. hibridizacije – molekule su povezane kemijskim vezama. Ćelija u kojoj je došlo do reakcije fluorescira (jer je uzorak prethodno tretiran svjetlećom etiketom). U posebnom uređaju-analizatoru nazvanom "chip-detector" konfiguracija svjetlećih točkica pokazat će kakve su mutacije u stanicama pacijenta, detektirati bakterije i viruse te otkriti genetske oblike mikroorganizama - uzročnika bolesti.

KAKO NASTAJU BIOČIPOVI

Biočipovi se mogu izraditi na razne načine. Američka tvrtka Affymetrix, lider u tom smjeru, proizvodi ih na isti način kao i elektroničke čipove (nalazi se u Silicijskoj dolini u Kaliforniji). Prema ovoj tehnici, DNA fragmenti - sonde - se grade izravno na staklenoj ploči pomoću fotolitografije. Upravo je visok stupanj razvoja mikroelektronike omogućio postizanje tako impresivnih rezultata - deseci i stotine tisuća sondi na jednom biočipu.

IMB RAS koristi drugačiji pristup. Fragmenti DNA se sintetiziraju odvojeno, a zatim nanose na podlogu u strogo definiranom redoslijedu. Taj posao obavljaju kompjuterski upravljani roboti. Na domaći čip stavlja se od 100 do 4000 sondi.

NAJNOVIJA DOSTIGNUĆA

Područja primjene biočipova se svake godine proširuju. Evo samo najzanimljivijih od njih.

BIOČIPOVI ZA VOJSKU

Stručnjaci sa Sveučilišta Northwestern u SAD-u razvili su biočip za američku vojsku koji može otkriti bakterijsku infekciju. okoliš. Ako DNK iz patogenih mikroba dospije na njega, tada se redaju fragmenti DNK sondi s mikroskopskim zlatnim česticama pričvršćenim na njih. Između elektroda teče struja, a biočip signalizira prijetnju.

BIOČIPOVI ZA SPORTAŠE

Biočip koji vam omogućuje određivanje učinka treninga na tijelo sportaša izumila je španjolska tvrtka Sabiobbi. On istovremeno ispituje 17 gena povezanih s fizičkim i metaboličkim sposobnostima tijela. Rezultati analiza mogu se povezati s opterećenjima koje sportaš doživljava tijekom treninga, a program se može prilagoditi. Ovim će se izumom, vjeruju autori, izbjeći slučajevi prerane smrti uslijed fizičkog preopterećenja.

BIOČIPOVI ZA POLICAJCE

Biosenzorski čipovi temeljeni na magnetskim nanočesticama i ultraosjetljivi magnetski senzori reagiraju na vezivanje određenih biomolekula iz uzorka sondama na površini nanočestica. Napredni razvoj u ovom području pripada Philipsovim istraživačkim laboratorijima. Takav biosenzor je sposoban detektirati tragove koncentracije morfija u slini u 1 minuti - 10 nanograma po mililitru.

BIOČIPOVI ZA LIJEČNIKE

Švicarski farmakološki koncern Roche počeo je isporučivati ​​američkom tržištu prvi svjetski biočip uz pomoć kojeg liječnik može unaprijed odrediti koliko će taj ili onaj lijek biti učinkovit za određenog pacijenta i što neželjene reakcije može ga nazvati. Biočip se temelji na tehnologiji koju je razvila američka tvrtka Affymetrix. Biočip analizira mutacije u dva gena koji imaju važnu ulogu u asimilaciji oko četvrtine svih prodanih lijekova, poput antidepresiva i lijekova za snižavanje krvnog tlaka.

BIOČIPOVI ZA ASTRONAUTE

Stručnjaci američkog svemirskog centra Marshall razvijaju tehnologiju biočipa s elektroničkim komponentama. Takav čip može detektirati bakterije, proteine, DNK i, prema NASA-i, bit će koristan za dvije vrste rada. Prvo, u budućim automatiziranim sustavima koji traže znakove života na Marsu i drugim planetima. I drugo, kao dio sigurnosnog sustava budućih marsovskih svemirskih letjelica s posadom i istraživačke stanice pronaći biološke kontaminante, vjerojatno nezemaljskog podrijetla, unutar nastanjivih prostora.

Svatko od nas bio je pregledan u klinikama i ima predodžbu koliko vremena i truda oduzimaju. Uzeti gomilu pretraga, litre krvi, pa izdržati tjedan dana čekanja da liječnici u svojim laboratorijima provjere naše epruvete na bakterije i viruse. No, uskoro bi se sve moglo radikalno promijeniti, a pregledi više neće plašiti ljude. Što će pomoći u dijagnosticiranju svih bolesti mnogo puta brže?

Prije dvadesetak godina razvijen je tehnologija bioloških čipova. Ovaj razvoj pripada Institutu za molekularnu biologiju. Engelhardt. Možemo reći da je svih ovih dvadesetak godina razvoj skupljao prašinu na policama i nitko se nije bavio njime. Ali sada su znanstvenici odlučili ponovno nastaviti s radom na čipovima iu skoroj budućnosti će napraviti cijelu seriju čipova. Glavna prednost tehnologije u usporedbi s nama poznatim postupcima polaganja testova je učinkovitost.

Postoji niz bolesti za čije dijagnosticiranje čak i najboljim liječnicima treba nekoliko tjedana. Na primjer, da bi identificirali uzročnika tuberkuloze, da bi razumjeli koje lijekove treba propisati pacijentu, liječnici mogu potrošiti čak deset tjedana, a to je ogromno vrijeme za bolesni organizam. Sve ovo vrijeme pacijent je u bolnici, uzima lijekove koji ne daju 100% jamstvo da će pomoći tijelu. Za neke pacijente ti su lijekovi prikladni, dok za druge ne donose nikakvu korist. Kao rezultat toga, osoba može potrošiti mnogo novca na liječenje i njegu u bolnici, a da ne dobije odgovarajući tretman. Koliko je sada tužna situacija u medicini govori samo jedan primjer.

Implementacija bioloških čipova

Biološki čipovi- To je mogućnost analize zdravstvenog stanja pacijenta u najviše 24 sata. Oni ne samo da će značajno uštedjeti vrijeme i novac za pacijenta, nego će čak pomoći svim medicinama u zemlji da uštede značajan dio proračuna. Uvođenje ove tehnologije velika je investicija u medicini iu uštedu Novac zemljama. Postoje čak i službene brojke koje pokazuju da u samo jednoj godini država može razumno uštedjeti 5 milijardi rubalja zahvaljujući biočipovima.

Ušteda za pacijenta temelji se na činjenici da ne mora trošiti novac na ogroman broj testova kako bi provjerio cijelo tijelo na prisutnost bolesti. Jedan doktor kemije izjavio je da uz samo jednu analizu pomoću nova tehnologija pacijent će moći provjeriti svoje tijelo na prisutnost osam markera onkološke bolesti. Štoviše, prema današnjim podacima, čip je sposoban s 90% vjerojatnosti precizno detektirati bolest i ispravno je dijagnosticirati. Sada osoba treba platiti oko sedam tisuća rubalja da bi se testirala na sve uobičajene vrste raka. S čipom pacijent ne bi potrošio više od tisuću rubalja. Uzmite istu tuberkulozu - nakon uvođenja tehnologije, pacijentu će trebati oko pet stotina rubalja da se ispita na prisutnost ove bolesti. Imajte na umu da je u inozemstvu cijena jednog čipa oko dva dolara.

Mikrobiolozi su proveli svoje istraživanje i izjavili da uz pomoć tehnologije doista postoje sve šanse da se u kratkom vremenu dijagnosticira ogroman broj bolesti. Na primjer, čip može otkriti mnoge vrste leukemije, HIV, hepatitis B i C, nekoliko vrsta gripe, herpes i mnoge druge bolesti. Analize će biti gotove nekoliko sati nakon pregleda. Ako postoji mogućnost epidemije, korištenje biočipova igrat će važnu ulogu u medicini zbog svoje učinkovitosti.

Za manje od jednog dana stručnjaci će imati priliku procijeniti rizike opasnosti koji se odnose na pojedine viruse. Također će moći odrediti razinu pandemije. I to je već dokazano. Gryadunov, kandidat bioloških znanosti, rekao je da su ga se u vrijeme pojave gripe H1N1 mnogi užasno bojali, iako, zapravo, nije predstavljao veliku opasnost za ljude, jer je njegov proteinski omotač bio izuzetno ranjiv . U slučaju ptičje gripe nema šanse za epidemiju jer se ne može prenijeti s jedne ljudske bolesti na drugu.

svjetlosna oznaka

Dizajn čipova nije tako kompliciran. Postoji minijaturna ploča na koju je pričvršćena matrica. Matrica sadrži mnogo stanica. Njihova veličina ne prelazi sto mikrona. Samo jedan kvadratni milimetar matrice može primiti nekoliko stotina stanica. Mogu se usporediti s malim epruvetama.

Alexander Chudinov, koji je osobno uključen u razvoj bioloških mikročipova, rekao je da je temelj tehnologije posebno svojstvo DNK molekula. Ovo je dvostruka spirala koja se sastoji od 2 polimerna lanca. Princip gradnje je komplementaran.

Znanstvenici trebaju samostalno stvoriti jedan lanac segmenta DNA, mogu stvoriti i oligonukleotid. Najvažnije je voditi računa o pravilnom slijedu izgradnje lanca. Slijed koji nastaje nakon mutacije koja otkriva bolest je točan. Znanstvenici moraju povezati ove segmente sa stanicom čipa. Zatim se matrica mora staviti u posebno kućište, gdje će biti hermetički zaštićena. Ostaje obaviti posao laboratorijskog pomoćnika - provesti kompetentnu analizu. Uzorak može biti DNK virusa uzet iz krvi ili sline. Je li moguće proučavati DNK određenog pacijenta? Naravno, ako postoji, primjerice, genetska predispozicija za određenu bolest, ona se može otkriti za nekoliko sati. Postoje čak i šanse za dijagnosticiranje pojedinačne tolerancije na određene bolesti.

Rad laboranta je sljedeći. Dobivena slika mora se poslati u epruvetu, nakon čega se u nju dodaje još nekoliko enzima i nukleotida (određeni broj nukleotida obilježen je fluorescentnom tvari).

Kao rezultat toga počinje reakcija sinteze. To dovodi do značajnog povećanja broja segmenata DNK. I što je najvažnije, svaki segment će imati fluorescentni marker. Sada se "spreman" uzorak ulijeva u čip. Ako postoje sekvence u kojima postoje mutacije, formira se njihova veza sa segmentima. Ovi segmenti su do ove točke promijenili redoslijed. Kao rezultat toga, nizovi boje željenu ćeliju markerom.

Posao tu ne završava, jer se još treba pobrinuti za obradu čipa određenim rješenjima. Nakon ovog postupka šalje se posebnom čitaču. Naziva se računalno potpomognuti analizator fluorescencije. Sada program počinje raditi. Ona analizira uzorak svjetlećih stanica, zahvaljujući čemu se pojavljuju informacije posebno o onim segmentima DNK koji su pretrpjeli promjene. Kao rezultat toga, stručnjak ima podatke o tome koji su se geni promijenili, koje bolesti pacijent ima, kakve bakterije i virusi zaraze njegovo tijelo.

Format ćelije je trodimenzionalan. I to ide na ruku znanstvenicima, jer je moguće koristiti ogroman broj segmenata DNK. Što je više segmenata, to je veći postotak točnosti rezultata analize. Danas postoje čak i posebne 3D ćelije u koje možete poslati molekule i biti sigurni da će one izgubiti svoje biološka svojstva. Za to je stvoren hidrogel koji može zadržati svojstva. Hidrogel se može usporediti s okolinom u kojoj žive molekule u biološkim strukturama, vrlo je malo razlika. Zahvaljujući ovim razvojima događaja biočipovi mogu raditi 12 mjeseci. Što se tiče njihovog transporta, nema pitanja - posebno kritični tehnološki uvjeti nisu potrebni.

Kakva je sada tehnologija?

Za sada se biočipovi ne mogu naći u klinikama, jer je rad tek u fazi Klinička ispitivanja. Čip dijagnozama se ne vjeruje slijepo - one se provjeravaju prema nama poznatim metodama otkrivanja bolesti. Ipak, svi mikrobiolozi su sigurni da je budućnost iza biočipova, samo je ovoj tehnologiji potrebno posvetiti dovoljno pažnje.

Napominjemo da su 2016. godine mnoge studije bile usmjerene na borbu protiv Alzheimerove bolesti. Shizofrenija i alkoholizam također su aktivno proučavani. Pozornost je posvećena i razvoju dijagnostičkog testnog sustava čija osnova leži upravo u pomoću biočipova sposoban otkriti predispoziciju za gore navedene bolesti.

Ne može se reći da su čipovi razvoj koji se ne može koristiti nigdje drugdje osim u zdravstvu. Čak su i agencije za provođenje zakona pokazale interes za biočipove. Posebno za ovo područje razvijeni su posebni čipovi koji se mogu nositi s identifikacijom dvadeset i tri markera. To je velik broj, jer je dovoljan za identifikaciju desetaka tisuća različitih varijanti ljudskog genoma. Grubo rečeno, čip će dati vrlo preciznu informaciju o tome je li osoba sposobna počiniti određeno kazneno djelo. Za test će biti potrebni samo biološki uzorci, što može biti slina, kosa i sl.

Naravno, dok se istražne radnje ne provode pomoću čipa, budući da još nije dokazano koliko točne i istinite informacije daje. No znanstvenici kažu da će korištenje ove tehnologije imati izuzetno povoljan učinak na razvoj područja provedbe zakona. Što se može reći na kraju? Prije ere koja se u molekularnoj biologiji činila fantastičnom, ostalo je vrlo malo vremena.

Biološki mikročip, biočip (biočip, grč. biografija- život i logotipi- pojam, doktrina; grčki mikros- mali i engleski čip- fragment) - nosiva ploča na kojoj su brojne stanice (do nekoliko desetaka tisuća) smještene određenim redom u kojima su imobilizirani različiti jednolančani oligonukleotidi ili oligopeptidi od kojih je svaki sposoban selektivno vezati određenu tvar sadržanu u složena smjesa u analiziranoj otopini. Biočip se koristi za molekularno genetička istraživanja, dijagnostiku raznih ljudskih bolesti, ekspresnu dijagnostiku visokopatogenih virusa, kao iu veterini, poljoprivredi, forenzici, toksikologiji i zaštiti okoliša. Prvi rad o biočipovima u modernom formatu (s fragmentima DNA) objavili su A. D. Mirzabekov i sur. 1989. godine

Biološki mikročipovi (biočipovi) ili, kako ih se češće naziva, DNA mikronizovi, jedan su od najnovijih alata u biologiji i medicini 21. stoljeća. Trenutno ih aktivno proizvodi nekoliko biotehnoloških tvrtki. Biočip tehnologija može se uspješno koristiti kako u istraživačke svrhe tako i za dijagnostiku u medicinskim ustanovama.

Uz pomoć mikronizova moguće je istovremeno analizirati rad tisuća i desetaka tisuća gena te usporediti njihovu ekspresiju. Takvo istraživanje pomaže u stvaranju novih lijekovi, saznajte koji geni i kako djeluju ovi novi lijekovi. Biočipovi su također neizostavan alat za biološka istraživanja, u jednom eksperimentu možete vidjeti utjecaj različitih faktora (lijekovi, proteini, prehrana) na rad desetaka tisuća gena.

Biočipovi vam omogućuju vrlo brzo određivanje prisutnosti virusnih i bakterijskih patogena. Važno medicinska primjena biočipovi - to je dijagnoza leukemije i drugih virusnih bolesti. Biočipovi vam omogućuju da brzo, u nekoliko dana ili čak sati, razlikujete izvana nerazlučive vrste leukemije. Biočipovi se koriste za dijagnosticiranje raznih vrsta kancerogenih tumora.

Southern blotting, napravljen 1975., poslužio je kao prototip modernih "živih čipova". Ed Southern. Koristio je obilježenu nukleinsku kiselinu kako bi odredio specifičnu sekvencu među fragmentima DNK fiksiranim na čvrstoj podlozi. U Rusiji su znanstvenici počeli aktivno razvijati biočipove kasnih 1980-ih na Institutu za molekularnu biologiju Ruske akademije znanosti pod vodstvom A. D. Mirzabekova.

Biočipove najpreciznije opisuje engleski naziv DNA-microarrays, t.j. to je organizirani raspored molekula DNA na posebnom nosaču. Profesionalci ovaj medij nazivaju platformom. Platforma je najčešće staklena ploča (ponekad se koriste i drugi materijali, npr. silicij), na koju su nanesene biološke makromolekule (DNA, proteini, enzimi) koje mogu selektivno vezati tvari sadržane u analiziranoj otopini.

Ovisno o tome koje se makromolekule koriste, postoje različite vrste biočipova za različite namjene. Glavninu trenutno proizvedenih biočipova čine DNA čipovi (94%), tj. šablone koje nose molekule DNA. Preostalih 6% su proteinski čips.

Organizirano postavljanje makromolekula zauzima vrlo mali prostor na platformi, u rasponu od poštanske marke do posjetnice. Mikroskopska veličina biočipa omogućuje postavljanje ogromnog broja različitih molekula DNA na malo područje i čitanje informacija s tog područja pomoću fluorescentnog mikroskopa ili posebnog laserskog uređaja za očitavanje (slika 2.50).

Karakteristične veličine stanica modernih mikročipova leže unutar 50-200 µm, ukupni broj stanica po čipu je 1000-100000, a linearne dimenzije čipa su oko 1 cm. U površinskim matričnim biočipovima, DNA je imobilizirana na površini membrane ili ploče od stakla, plastike, poluvodiča ili metala. U gel biočipovima DNA je imobilizirana u sloju poliakrilamidnog gela debljine 10-20 µm nanesenog na posebno obrađenu staklenu površinu. Čips se također može uzgajati izravno iz staklene ploče fotolitografijom pomoću posebnih mikromaski. Imobilizirajuća DNK nanosi se na površinu ili putem igličastih rastera (pinova) mehaničkog robota ili pomoću tehnologije inkjet pisača. Kontrola kvalitete taloženja provodi se pomoću specijalizirane optike i računalne analize slike. Molekule DNA označene bojom dalje se hibridiziraju na biočipu.

DNA koja se hibridizira u otopini obilježena je fluorescentnom ili radioaktivnom oznakom. U slučaju mješavine molekula DNA (na primjer, DNA divljeg tipa i DNA s mutacijama), svaka je označena vlastitom fluorescentnom bojom. Svojstva boje ne bi trebala jako ovisiti o sastavu (A/T ili G/C) DNA i temperaturi. Intenzitet fluorescencije u stanicama mjeri se skenerom ili fluorescentnim mikroskopom koji prenosi signal na CCD. Međutim, fluorescencija je glavna, ali ne i jedina metoda za proučavanje hibridizacije. Konkretno, podaci o prirodi hibridizacije također se mogu dobiti pomoću spektrometrije masa, mikroskopije atomske sile itd.

Princip rada svih tipova biočipova s ​​imobiliziranom DNA temelji se na točnom podudarnosti između komplementarnih DNA prema Watson-Crickovom pravilu: A-T, G-C. Ako podudarnost između nukleotida imobilizirane i hibridizirane DNA točno zadovoljava uvjete komplementarnosti, tada će rezultirajući dupleksi biti termodinamički najstabilniji. Kao rezultat toga, na konačnim temperaturama bit će ih više nego nesavršenih dupleksa s kršenjem uvjeta komplementarnosti, te će, prema tome, jači fluorescentni signal odgovarati savršenim dupleksima. Rad uređaja - analizatora biočipova sastoji se u identificiranju i usporedbi najsvjetlijih stanica.

DNA koja se hibridizira obično se prethodno proizvede u dovoljnim količinama pomoću PCR-a. U naprednijim tehnologijama PCR se izvodi izravno na čipu. Osim toga, fragmentacija, fosforilacija, ligacija DNA ili mini-sekvenciranje mogu se izvesti izravno na čipu, pri čemu se duljina dupleksa povećava za jedan par baza. Potonja tehnika može se učinkovito koristiti za pronalaženje mutacija.

Na Zapadu i u Rusiji sada su se formirala dva različita pravca i dva različita standarda za stvaranje i korištenje biočipova. Ruski biočipovi su jeftiniji, dok su zapadni biočipovi veći. U isto vrijeme, u Rusiji se biočipovi uglavnom bave istraživačkim laboratorijima, a na Zapadu je to prije svega vojno istraživanje i komercijalna proizvodnja čipova za dijagnostiku.

Liječnici ruske onkologije znanstveni centar ih. N.N. Blokhin je zajedno s kolegama iz Nižnjeg Novgoroda razvio jedinstveni testni sustav za imunocitokemijska istraživanja. Može zamijeniti cijeli laboratorij, nema analoga u svijetu, a dobio je visoke ocjene vodećih japanskih onkologa. Uz pomoć ove inovacije moguće je utvrditi prisutnost ili odsutnost maligne neoplazme kod pacijenta pri prvom posjetu klinici. Sustav testiranja osmišljen je na način da se može jednostavno i brzo implementirati u cijeloj zemlji.

Novost je nazvana "Biochip". Bio je to rezultat dugogodišnjeg zajedničkog rada Ruskog centra za istraživanje raka. N.N. Blokhin, Medicinska akademija u Nižnjem Novgorodu i Institut za epidemiologiju i mikrobiologiju. U. Blokhin.

Biočip je temeljno novi razvoj - rekao je za Izvestiju jedan od autora testnog sustava, voditelj laboratorija za kliničku citologiju Ruskog centra za istraživanje raka nazvanog po Izvestiji. N.N. Blokhin, onkocitolog Marina Savostikova. - U 2016. smo u Rusiji registrirali testni sustav u znanstvene svrhe i dobili međunarodni patent. Za biočip su se zainteresirali kolege iz Japana. Krajem 2016. s nama su potpisali ugovor o prijenosu razvoja u zemlje azijsko-pacifičke regije.

Test sustav je dizajniran za dijagnosticiranje bilo kojeg malignog procesa: raka, melanoma, limfoma. To je sam biočip, skener za digitalizaciju rezultata te transportni i hranjivi medij za pohranu biomaterijala.

Biočip je supstrat podijeljen na 15 stanica u koje se unose različita antitijela. Biomaterijal uzet od pacijenta za analizu (patološka tjelesna tekućina ili punktat iz neoplazme) mora se obraditi u standardnoj centrifugi, koja je dostupna u svakom laboratoriju, a zatim se unosi u stanice gdje, kada se zagrije na 37 stupnjeva, dolazi do reakcije. Za vizualizaciju reakcije antitijelima su dodane fluorokromne oznake. Kada antigen stanice raka reagira s antitijelom, stanica svijetli. Po ovom sjaju možete odmah odrediti ima li tumorskih stanica u uzorku ili ne.

Ovo je metoda fluorescentne imunocitokemije, - objasnila je Marina Savostikova. - Reakcija je gotovo trenutna. Tehnologija omogućuje analizu tri puta bržu od standardne metode, a tri puta jeftiniju. Studiju možete provesti u uvjetima bilo koje klinike u koju se pacijent prijavio s bilo kojom pritužbom.

Iako biočip može razlikovati maligna neoplazma od benignih, liječnici ne predlažu da se svi provjeravaju na rak na ovaj način. Za analizu se uzima tekućina ili stanice patološkog tkiva dobivene punkcijom.

Na primjer, pacijentica je otišla terapeutu žaleći se na otok na vratu, objašnjava Marina Savostikova. - To može biti normalan limfadenitis, cista na vratu, alergijska reakcija na ugriz insekta, sarkom mekog tkiva vrata. A ako pacijent ima tekućinu u plućima, uzrok može biti tuberkuloza, upala pluća, metastaze raka, mezoteliom. Uz pomoć novog test sustava možemo sve to isključiti i dati preporuke liječnicima gdje da traže problem.

Za široko uvođenje ove dijagnostičke metode nije potrebno saditi onkocitologe u laboratoriju svake poliklinike. Potrebno je samo svaki laboratorij opremiti biočipovima i skenerima. Poželjno je da ima zalihu epruveta s transportno-hranjivom podlogom (TPS). Ovo je također razvoj autora projekta. TPS je dobro začepljena epruveta u koju se unosi biomaterijal. Tuba sadrži konzervanse koji inhibiraju rast mikroba. U ovom okruženju, biomaterijal se može čuvati bez hladnjaka do mjesec dana.

Kirurg poliklinike ili bolnice mora napraviti punkciju i unijeti patološki materijal u TPS, a zatim na biočip. Nakon toga postavite testni sustav u skener koji će sliku poslati stručnjaku referentnog centra.

Već smo pokrenuli malu proizvodnju biočipova, - rekao je drugi autor projekta, direktor NPP "Biočip" Svjatoslav Zinovjev. - Nalazi se u Nižnjem Novgorodu. Opremu za automatizirani ispis na biočipu izradili smo od nule, jer nema analoga u svijetu, pa samim time nema ni odgovarajućih dizajnerskih rješenja. Skeneri po našoj narudžbi i projektni zadatak također proizvodi Nižnji Novgorod poduzeća.

Prema Svjatoslavu Zinovjevu, proizvodnja skenera je supstitucija uvoza. Ukupni trošak svakog uređaja bit će 10 puta manji uvezeni analog. Skeneri su prošli laboratorijski test, a sada programeri predaju dokumente za njihovu registraciju.

Biočip se ugrađuje u skener koji sliku digitalizira i šalje u regionalni referentni centar. Tamo citolozi s velikim iskustvom gledaju sliku, analiziraju materijal dobiven na daljinu i šalju zaključak natrag. Pacijent pri drugom posjetu liječniku dobiva točnu dijagnozu i priliku za početak liječenja. svi teški slučajevi, koju regionalni citolozi nisu mogli protumačiti, razmotrit će vijeće Ruskog centra za istraživanje raka. N.N. Blokhin. Komunikacija s glavnim referentnim centrom organizirana je putem informacijsko-analitičkog sustava čija je izrada također uključena u projekt.

Vrlo je važno postaviti dijagnozu što je ranije moguće. Za bolesnik od raka ovi pojmovi su život. U doba ciljanih tehnologija onkologija se liječi. Sada je granica preživljavanja od pet godina norma. Postoje tumori od kojih se više ne umire. Na primjer, to je tumor Štitnjača- rekla je Marina Savostikova.

Prema Svjatoslavu Zinovjevu, dijagnostika pomoću novog testnog sustava može biti besplatna za pacijente, jer je imunocitokemijsko istraživanje uključeno u standarde obveznog zdravstvenog osiguranja (CHI).

Nižnji Novgorod, Čeboksari, Sankt Peterburg, Jaroslavlj, Rostov na Donu, Krasnodar i druge regije već su najavile svoju spremnost za rad prema novoj shemi. Komunicirali smo s citolozima, ravnateljima i glavnim liječnicima onkoloških dispanzera, predstavnicima ministarstava nekih regija i svugdje smo se susreli s velikim zanimanjem, - rekao je Svjatoslav Zinovjev.

Sada tvorci biočipa čekaju zaključak Roszdravnadzora, bez kojeg je nemoguće pokrenuti masovnu proizvodnju.

Kako ne bismo gubili vrijeme, već smo počeli obučavati stručnjake koji će raditi s novi sustav, - precizira Marina Savostikova. – Citolozi će se kod nas školovati, polagati ispite i dobivati ​​certifikate. I tek nakon toga moći će samostalno interpretirati rezultate dobivene na biočipu.

Uz pozitivnu presudu Roszdravnadzora, sudionici projekta obećavaju vrlo brzu provedbu projekta. Konkretni rok je travanj 2017.

Stručnjaci-onkolozi potvrđuju potrebu masovnijeg uvođenja ove vrste dijagnostike.

Ideja o biočipu nije nova. Slični sustavi se stvaraju u našem institutu, ali za sada ih koristimo samo za dijagnosticiranje leukemije, - Alexey Maschan, zamjenik glavnog ravnatelja - ravnatelj Instituta za hematologiju, imunologiju i stanične tehnologije Državne proračunske ustanove "FNKTs DGOI nazvan Dmitry Rogachev" iz Ministarstva zdravlja Rusije, rekao je Izvestija. - Doista, postoji problem dostupnosti dijagnostike u udaljenim regijama i ovakav razvoj situacije ga može riješiti. Prednost dijagnostike pomoću biočipa u njenoj pragmatičnosti - u nedostatku financijskih sredstava medicinske ustanove takav ispitni sustav može riješiti neke od problema. Ali samo ako je izdržao usporedbu s klasičnim dijagnostičkim metodama.

Prema riječima glavnog onkologa Ministarstva zdravstva, takve sustave treba preslikati, i to ne samo u našoj zemlji.

Ovo je doista jedinstven testni sustav za određivanje bilo kakvih malignih procesa i za sada nema analoga nigdje u svijetu - rekao je za Izvestiju Mihail Davidov, glavni onkolog ruskog Ministarstva zdravstva, akademik Ruske akademije znanosti. - Riječ je o važnoj odluci u području dijagnostike raka koju treba preslikati i pokazati ne samo domaćim, već i stranim kolegama.

Biočip je organizirano postavljanje DNK ili proteinskih molekula na poseban nosač – „platformu“.

Platforma je ploča s površinom od samo 1 cm2 ili malo više. Izrađen je od stakla ili plastike ili silikona. Na njemu se, u strogo određenom redoslijedu, mogu smjestiti mnoge molekule DNK ili proteina. Otuda prisutnost u pojmu riječi - "mikro".

Biočip se može koristiti za analizu molekula raznih tvari. Da biste to učinili, na njemu su fiksirane molekule za "prepoznavanje". Svaka od ovih molekula označena je pojmom "molekula sonda", a svaka od proučavanih molekula je

"molekula sonde".

Molekulu sonde na biočipu određuje sam istraživač, tj. planira koju će molekulu tražiti među molekulama u proučavanom materijalu - u tekućini itd. Ako se DNK ispituje na mikročipu, to je DNK čip, ako je proteinska molekula proteinski čip.

Kako se molekule sonde fiksiraju na biočipu?

U mnogim zemljama, molekule sonde su pričvršćene izravno na staklenu ploču, tj. na podlogu pomoću lasera. Kod nas se molekule sonde stavljaju u gel ćelije, svaka promjera manjeg od 100 mikrona, stanice se fiksiraju na ploču tijekom procesa proizvodnje mikročipa. Broj ćelija na čipu već doseže nekoliko tisuća.

U stanicama su molekule sonde kemijski vezane iu funkcionalno aktivnom stanju.

Budući da su stanice ispunjene gelom trodimenzionalne strukture, one drže velika količina molekule sonde, a ne čipovi u kojima su molekule sonde jednostavno pričvršćene na ploču. Također je važno da kemijska reakcija između molekule sonde i molekule sonde unesene u stanicu iz gela, odvija se kao u tekućinama, pa prema tome, kao u živom organizmu.

Proučavanje genoma i proteoma svake vrste stanica u normi i kod bilo koje bolesti omogućit će otkriti koji gen ili geni uzrokuju određenu bolest.

Na DNK čipu se otkriva uzrok bolesti: defekti u strukturi gena ili gena ili promjene u aktivnosti gena s njegovom normalnom strukturom.

Na proteinskom čipu posljedice "kvarova" u genu određene su promjenama u njegovom produktu - proteinima u stanici. Promjene u staničnom genu ili proteinu njihova su oznaka ili marker (od engleskog mark - znak, oznaka).

Dakle: označeni gen je markerski gen, a označeni protein je markerski protein. Ovi markeri omogućuju otkrivanje kod pacijenta defektne ili bolesne stanice karakteristične za određenu bolest, uključujući rak. matična stanica. Prilikom dijagnosticiranja bolesti, marker gen i marker protein za kontrolu uspoređuju se s genom normalne stanice i njegovim produktom – proteinima.

Jasno je da je na DNA čipu molekula sonde markerski gen, a za kontrolu u zasebnoj stanici to je normalni gen; u proteinskom mikronizu kao molekula sonde može se koristiti ili antitijelo ili antigen.

Metode proizvodnje biočipova

1. Molekule DNA ili proteina prethodno se sintetiziraju i zatim stavljaju na matricu. Nedostatak ove metode je mala gustoća molekule sonde na matrici, do 1000 molekula, te naporan proces njihove sinteze.

Kopije marker gena mogu se dobiti metodom PCR-MMC, a za kopije marker proteina takva metoda ne postoji. Njegove kopije mogu se stvoriti umetanjem mRNA gena marker proteina u bakteriju: E. coli ili u stanice kvasca.

2. Za DNA čipove, sinteza oligonukleotida se provodi izravno na matrici. Takvi čipovi imaju mnogo veću gustoću molekula sonde.

3. Primjena oligonukleotida na strogo definirano područje matrice s inkjet pisačem.

Kod nas se biočipovi - DNK čip i proteinski čip pripremaju prema prvoj metodi.

Biočip je najnoviji uređaj za medicinu 21. stoljeća. Prema molekulama markera, omogućuje:

1) dijagnosticirati bilo koju bolest: prije njenog početka ili na samom početku;

2) pronaći ovaj ili onaj virus, bakterije i stanice raka u tijelu;

3) proteinski čip može pronaći lijekove među spojevima niske molekularne težine u nizu analiziranih materijala;

4) rješavanje ovih problema na biočipovima može se obaviti za nekoliko sati, a ne dana itd.

Princip rada biočipova i faze analize

1. DNK čip.

Znamo da se molekula DNK sastoji od dva komplementarna lanca. Osnova svakog lanca je niz od četiri dušične baze: adenin (A), guanin (G), timin (G) i citozin (C).

U ovom slučaju slijed baza u jednom lancu određuje slijed baza u drugom: A-T i G-C. Kada se vodikove veze spontano stvaraju između ovih komplementarnih baza, dva se lanca spajaju, tj. hibridizirati u dvostruku spiralu i držati niti zajedno. Upravo na sposobnosti međusobnog vezanja komplementarnih baza: A s T, a G s C temelji se princip rada DNK čipa.

Faze analize pomoću DNK čipa

1. Kopije poznatog marker gena su fiksirane u stanicama čipa u obliku jednog lanca ovog gena, tj. njegove "polovice" su cDNA.

2. Kopija marker gena se izolira iz krvne plazme bolesnika, t.j. mRNA.

3. Na molekuli mRNA, pomoću enzima reverzne transkriptaze, sintetizira se još jedan lanac gena markera, t.j. svoju drugu "polovicu" - cDNA. PCR-MMC propagira ovu cDNA - to su molekule sonde, a obilježene su fluorescentnom bojom.

4. Robot postavlja molekule sonde u određene stanice na čipu s kopijom marker gena matične stanice raka.

Ako je cDNA gena iz uzorka plazme komplementarna s cDNA u odgovarajućim stanicama, tada će doći do hibridizacije među njima, a takve će stanice početi svijetliti. Čip se skenira laserom, prateći intenzitet fluorescentnog signala u svakoj ćeliji. Odnosno, u plazmi postoje geni markeri, što znači da u tijelu pacijenta postoje matične stanice raka.

Ako nema hibridizacije između ovih molekula, tada u ovom uzorku plazme nema markera gena matičnih stanica raka.

Kada postoji gen s mutacijom, tada će doći do hibridizacije njegove cDNA na čipu s cDNA molekule sonde koja ima tu mutaciju. Ako se radi o supresorskom genu wt53, to također može ukazivati ​​na prisutnost matične stanice ili stanica raka u tijelu pacijenta.

Stanica raka nastaje iz matične stanice tkiva zbog uključivanja gena proteina fetusa u nju. Dakle, u molekulama uzorka pacijentove plazme bit će cDNA ovih gena i njihova odsutnost u kontroli.

Što je niži titar epimutantnih i mutantnih marker gena u uzorku plazme pacijenta, to je manje stanica raka u njegovom tijelu.

Detekcija stanica raka u uzorku krvne plazme ili drugih bioloških tekućina pacijenta - urin, slina, suzna tekućina itd. putem marker gena, omogućuje dijagnosticiranje raka, a pomoću marker gena svojstva invazije stanica raka - mikrometastaze raka. I to mnogo prije njihovog otkrivanja standardnim metodama - ultrazvukom, radiografijom, CT skeniranje i tako dalje.

Biočip može detektirati opasnost od bolesti pomoću gena markera. Dakle, ako su markerski geni pronađeni, ali njihovi proizvodi - proteini u stanici - još nisu pronađeni, onda je to otkrivanje predbolesti. U odnosu na rak, to su prekancerozne stanice. Budući da u ovom slučaju biočip otkriva samo vjerojatnost bolesti, takav čip još ne podliježe certificiranju.

Bolesnikova krvna plazma glavni je rezervoar u koji prodiru markerski geni iz umirućih defektnih ili bolesnih stanica u određenoj bolesti iz raznih organa, uključujući i stanice raka. Takve stanice u tijelu mogu umrijeti zbog nekroze i apoptoze, a njihovi geni tada preko međustanične tekućine ulaze u krv.

Nizak titar marker gena u krvnoj plazmi bolesnika, prema analizi na DNA čipu i odsutnost njihovog produkta – proteina, može značiti predbolest, a ako ih ima i bolest. Isto vrijedi i za rak. To bi moglo značiti ranu dijagnozu raka - njegovu razinu II.

2. Proteinski čip.

Struktura čipa za analizu proteina ista je kao kod DNK čipova. Samo oni čipovi na kojima se odvija enzimska reakcija imaju rjeđi raspored stanica, a oni na kojima se odvija DNA reakcija imaju češći raspored.

Proteini markeri su proizvod "raspada" gena ili gena; oni pretvaraju normalnu stanicu u defektnu ili bolesnu stanicu u specifičnoj bolesti. Ti se proteini pojavljuju na površini stanica i antigenski su proteini, a različiti su za svaku bolest.

Na matičnoj stanici raka pojavljuju se fetalni proteini i receptorski proteini koji nisu prisutni na normalnoj matičnoj stanici. Jesu li to proteini-antigeni - pitanje nije riješeno.

U proteinskom čipu kao molekuli sonde, t.j. protein marker neispravne ili bolesne stanice može biti protein antigen, tada se u serumu bolesnika određuju protutijela na njega. Ako se protutijelo uzme kao molekula sonde, tada se u krvnom serumu pacijenta traži protein antigena.

U vezi s dekodiranjem ljudskog genoma, potrebno je analizirati funkcije ogromnog broja proteina u stanicama. drugačiji tip, uključujući dosad nepoznate. Tisuće proteina može se fiksirati u različitim stanicama mikročipa i istovremeno analizirati na njihovu sposobnost da: vežu poznati ligand, kataliziraju određenu enzimsku reakciju, komuniciraju s antitijelima, spojevima male molekularne težine itd.

U stanici raka važno je proučavati, osim markerskih proteina, receptorske proteine ​​i antitijela na njih, proteine ​​svojstava invazije, vaskularni endotelni faktor rasta-1 i njegov receptorski protein na površini hematopoetske stanice itd. .

Princip rada proteinskog čipa

Također se temelji na komplementarnosti molekula koje sudjeluju, ali proteinskih.

1. Antigen sa svojim antitijelom. Antigen je svaka tvar koja obično sadrži neku vrstu proteina koji može izazvati imunološki odgovor.

Antitijelo je proteinska molekula koju luči jedna od stanica imunološki sustav. Oblik ove molekule i raspodjela električnog naboja po njezinoj površini čine je sposobnom za vezanje antigena koji joj je komplementaran po obliku i raspodjeli naboja.

Prvi put daleke 1942. nobelovac L. Pauling i njegovi kolege iznijeli su ispravan postulat da trodimenzionalna struktura antigena i njegovog antitijela

Oni su komplementarni i stoga "odgovorni" za stvaranje kompleksa antigen-antitijelo.

2. Supstrat s vlastitim enzimom. Na temelju hipoteze topokemijske korespondencije, specifičnost djelovanja enzima povezana je s prepoznavanjem onog dijela supstrata koji se ne mijenja tijekom katalize. Između ovog dijela supstrata i supstratnog središta enzima nastaju točkasti kontakti i vodikove veze.

3. Protein sa spojem niske molekulske mase. Za inhibiciju proteina potrebna je veza između njih - komplementarna površina veze s aktivnim mjestima proteinske molekule,

4. Enzim sa spojem niske molekulske mase. Enzimi i drugi proteini stvaraju sva svojstva stanice raka pa su glavne mete za lijekove. Za blokadu enzima spojem niske molekulske mase potrebna je i komplementarnost između njih: površina molekule spoja mora biti kopija površine supstratne regije, koja se ne mijenja tijekom katalize.

Koraci analize pomoću proteinskog čipa

1. Poznati protein je fiksiran u stanicama čipa - antitijelo na protein koji stvara neispravnu ili bolesnu stanicu određene bolesti. Ciljni protein je protein marker.

2. Uzorak seruma uzima se iz krvnog seruma pacijenta za analizu. U uzorak se dodaje fluorescentna boja - svaka molekula proteina markera prima ovu tvar.

3. Uz pomoć robota kapi seruma iz uzorka stavljaju se u određene ćelije čipa. Molekule sonde traže svoje komplementarne molekule među molekulama sonde. Ako postoji takva molekula, onda se ona veže na molekulu sonde u ćeliji čipa; između njih dolazi do kemijske reakcije i ono počinje svijetliti.

4. Stanice u kojima se pojavi svijetli sjaj pokazat će prisutnost željenog proteina markera. Budući da je ovaj protein marker neispravne ili bolesne stanice u određenoj bolesti, on će ukazivati ​​na pojavu te bolesti kod pacijenta. Slično tome, prisutnost stanica(a) raka u pacijentovom tijelu detektirana je njihovim proteinima markerima.

Ako je antigenski protein fiksiran u stanicama čipa, tada se antitijela na markerski protein traže u krvnom serumu pacijenta. Ako serum sadrži antitijela na protein marker, to će ukazivati ​​na prisutnost stanica raka u tijelu pacijenta, tj. bolesnik je bolestan. A proteinima markerima svojstava invazije stanica raka, primjerice, prisustvom proteina Mts1 i drugih, moguće je registrirati mikrometastaze stanica raka negdje u tijelu pacijenta.

Već znamo da su proteini koji se proizvode u stanicama raka, ali ne iu normalnim stanicama, markerski proteini ili antigeni. Prisutnost takvih proteina znak je da je gen koji uzrokuje transformaciju normalne stanice u stanicu raka započeo svoj destruktivni rad. Detekcija stanica(a) raka markerskim proteinima omogućuje dijagnosticiranje raka ili njegovih mikrometastaza mnogo prije nego što se simptomi otkriju kod pacijenta. Titar proteina markera u krvnom serumu bolesnika određuje broj stanica raka u njegovom tijelu. Nizak titar proteina markera iz stanica raka u krvnom serumu, kao iu drugim tekućinama bolesnika, znak je malog broja stanica raka u tijelu bolesnika. Ovo bi moglo postati rana dijagnoza rak - njegova II razina.

Dakle, u 21. stoljeću, kako se identificiraju markerski geni i markerski proteini koji uzrokuju određenu bolest, njezina će dijagnoza, pa tako i raka, postati rana, tj. na dvije razine: 1) "prije početka" - markerskim genima i 2) "na samom početku" - markerskim proteinima.

Geni markeri i proteini markeri u defektnoj ili bolesnoj stanici mete su ili mete za nove lijekove. Na temelju njih stvarat će se lijekovi i druga sredstva, uključujući i cjepiva. Zbog komplementarnosti s ciljanim molekulama, lijekovi će djelovati selektivno bez oštećenja normalnih stanica.

Liječnik, djelujući na gene-markere bolesti, moći će je spriječiti, a djelovanjem na proteine-markere stanica može se izliječiti u samom "embriju".

Na ova dva načina liječnik će steći, da tako kažemo, potpunu vlast nad bilo kojom bolešću na staničnoj razini.

Potraga za marker genima i marker proteinima u različitim okruženjima pacijentovog tijela može se brzo i precizno izvesti na biočipovima, a marker geni se, osim toga, mogu detektirati pomoću najpreciznijim metodama: PCR-MMK i MS-PCR. To će značiti revoluciju u medicini.

Znanstvenici će identificirati markerske gene i markerske proteine ​​koji uzrokuju određenu bolest, uključujući pojavu stanice raka. Tada će se moći razvijati rana dijagnoza bilo koje bolesti s minimalnim skupovima: markerski geni i markerski proteini. Oni će se dopunjavati i usavršavati kako se budu stjecala nova znanja. To će biti genski i proteinski "profili" bolesti, a koji će se prenijeti na biočipove.

Testiranje osobe na specifične markere bolesti pomoću DNK čipa i proteinskog čipa ima nekoliko prednosti.

Negativan rezultat će donijeti radost osobi i može ga spasiti od pregleda standardnim metodama: ultrazvučni postupak, radiografija itd.

Pozitivan rezultat dat će osobi priliku, ali i vrijeme, da poduzme korake za smanjenje rizika od bolesti, ili na početku bolesti, da započne odgovarajuće liječenje.

Rana dijagnoza raka je od posebne važnosti. To je zbog činjenice da je, prvo, uzrok raka stanica raka, i to iz stanice svog organizma domaćina, i, drugo, sve do nedavno nisu bile poznate apsolutne razlike između stanice raka i normalne ćelija.

Do sada se smatralo da je svaka vrsta stanica raka karakterizirana "svojim" genima i proteinima. Ali genom u svakoj vrsti stanica je isti. Ako prihvatimo da je stanica raka "svoja" od svake vrste stanice, zašto su onda svojstva stanice raka bilo koje vrste ista?

Tip stanice nastaje potiskivanjem nekih gena uslijed metilacije i ekspresijom drugih gena demetilacijom njihovog promotora.

Sada je također dokazano da stanica bilo koje vrste postaje kancerogena zbog derepresije fetalnih proteinskih gena u njoj. To jest, formiranje vrste stanice i nastanak stanice raka iz normalne stanice je neovisni prijatelj procesa jedni od drugih. Iz ove dvije činjenice može se pretpostaviti da bi trebali postojati zajednički geni markeri i njihovi produkti - proteini za bilo koju vrstu matičnih stanica raka.

Uobičajeni geni i njihovi produkti - proteini mogu biti: gen i njegov enzim - telomeraza, gen i protein pod kodnom oznakom "5T4", gen oct-4 i protein Oct-4, gen Nanog i protein, mts 1 gen i Mts 1 protein, osteopontin gen i protein itd.

Ako se potvrdi, ovo bi bio pravi napredak u rješavanju mnogih, ako ne i svih, problema s rakom:

Rana i točna dijagnoza bilo koje vrste matičnih stanica raka na temelju zajedničkog marker gena i njegovog produkta, marker proteina;

Univerzalni lijekovi i sredstva, uključujući i cjepivo, protiv matične stanice raka i njegovih metastaza.