Biochip a rákos sejtek kimutatására. A biochip vagy mikromátrix a rákos sejtek korai diagnosztizálására, a rákkezelés nyomon követésére és a gyógyulás nyomon követésére szolgáló eszköz. Postai bélyeg labor

A Molekuláris Biológiai Intézetben készített biochipeket nem kell sehova beültetni.

Ezek az apróságok egy nap alatt megmondhatják, hogy egy adott betegnél milyen gyógyszerekkel lehet kezelni a tuberkulózist, megkülönböztetik a szörnyű madárinfluenza-vírust a többi vírustól, és megmutatják, hogy az ember rákos lesz-e.

AZ "ORROSZ BIOCHIP" TÖRTÉNETE

Nehéz elhinni, hogy egy üveg tárgylemezre szerelt miniatűr eszköz (olyanra, amelyre mikroszkópos vizsgálat céljából általában gyógyszert helyeznek) egy egész diagnosztikai laboratóriumot helyettesíthet. De tényleg az! "Az elektronikus chipekhez hasonlóan a biochipek is nagy mennyiségű információt dolgoznak fel a párhuzamos elemzés módszerével" - magyarázza Dmitrij Gryadunov, az IMB biológiai mikrochip laboratóriumának munkatársa. Leegyszerűsítve ugyanakkor sok - akár több száz - mindenféle elemzést végeznek egy chipen.

Ennél is meglepőbb a tisztán hazai termék biochip eredettörténete, külföldön nem véletlenül hívják még mindig "orosz biochipnek". Az egész a múlt század 80-as éveinek végén kezdődött, amikor az Orosz Tudományos Akadémia (IMB) Molekuláris Biológiai Intézetének tudóscsoportja Andrej Mirzabekov akadémikus vezetésével, aki sajnálatos módon 2003 elején hunyt el, nekilátott a gyártásnak. univerzális miniatűr elemző. Az ötlet persze már ott volt a levegőben. De ezt az ötletet csak szakembereinknek sikerült életre kelteni.

Ahogy Andrej Mirzabekov mondta egyszer, akkoriban az egész világot lenyűgözte az emberi genom megfejtésének folyamata, és kollégáival biochipek használatát javasolták erre a célra. De nagyon hamar rájöttek, hogy az új eszközök hasznosak lehetnek különféle gyakorlati problémák megoldásában, ezért siettek megtenni a következő lépést - a technológia fejlesztését. És sikerült nekik! A biochipek megkezdték győzelmes útjukat a világ körül.

A 90-es évek közepén, amikor az orosz tudomány finanszírozása szinte teljesen leállt, Mirzabekov akadémikust meghívták az Egyesült Államok Argonne Nemzeti Laboratóriumába. Kijelentette, hogy csak akkor dolgozna Chicagóban, ha létrehoznak egy közös kutatócsoportot, amelyben amerikai és orosz szakemberek is részt vesznek. Az orosz molekuláris biológusoknak így sikerült túlélniük a "vidám 90-es éveket", ami az orosz tudomány számára a legnehezebb volt. Az USA-ban végzett munkájuk során több mint 10 szabadalmat kaptak. A megkeresett pénzből felszerelést vásároltak, és átfogó laboratóriumot hoztak létre az IMB-ben.

Az "orosz biochip", ahogy külföldön hívták, elismerést kapott. A technológia használati jogát a Motorola és a HP vásárolta meg, majd bejegyeztette szabadalmát a módosított technológiára. Válaszul az IMB tudósai jobb technológiát fejlesztettek ki és szabadalmaztattak.

TÁMADÁS A TB ellen

Az új módszer jóváhagyásának első tárgya a tuberkulózis volt. Évente körülbelül 30 millió ember fertőződik meg vele a világon, körülbelül 2 millióan halnak meg benne. A tuberkulózissal különösen nehéz helyzet alakult ki Oroszországban, ahol az 1990-es években számos szociális problémák A tuberkulózis kórokozói - a mikobaktériumok, vagy, ahogyan más néven is nevezik, Koch-botok, mutáltak, immunissá válva a hagyományos gyógyszerekkel szemben. Jelenleg mintegy 40 mutáns törzs ismeretes.

Hagyományos megközelítésben, miután a páciensnél röntgenfelvétellel tuberkulózist diagnosztizáltak, úgynevezett első vonalbeli gyógyszerekkel kezelik, amelyek közé tartozik a rifampicin és az izoniazid. Ezzel párhuzamosan a kórokozó mikrobiológiai vizsgálatát végzik, hogy megállapítsák e gyógyszerekkel szembeni érzékenységét. Ez két-három hónapig tart. És amikor kiderül, hogy ezek a gyógyszerek nem hatnak a mikobaktériumok ezen formájára, a páciens több hónapja felesleges, sőt káros gyógyszereket szed, és sikerült átadnia a tuberkulózis gyógyszerrezisztens formáját mindenkinek, akivel kapcsolatba került. kapcsolatot felvenni. Természetesen az orvosoknak még mindig vannak raktáron másodvonalbeli gyógyszerei, de velük is megtörténhet ugyanez a történet. Ezért nagyon-nagyon fontos a tuberkulózis gyors és pontos diagnózisa.

Ha biochipeket használnak, a diagnózis kevesebb mint egy nap alatt felállítható. A páciens mintájából DNS-t izolálnak, és polimeráz láncreakciót (PCR) hajtanak végre annak érdekében, hogy ismételten megsokszorozzák a DNS azon szakaszát, ahol mutált antibiotikum-rezisztencia gének fordulhatnak elő. A biochipen végzett utólagos elemzés segít meghatározni, hogy a tuberkulózis több tucat mutáns törzse közül melyikkel fertőződött meg a beteg. De ezeket a mágikus biochipeket még létre kellett hozni.

1998 óta az IMB tudósai a Moszkvai Tuberkulózis Elleni Központ szakembereivel együtt küzdenek a probléma megoldásán. 2004-ben erőfeszítéseiket siker koronázta – a biochippel végzett diagnosztikát tanúsították. Ma kétféle készüléket gyártanak: a mikobaktériumok első vonalbeli és másodvonalbeli gyógyszerekkel szembeni érzékenységének kimutatására. „Havonta 1,5-2 ezer biochipet gyártunk, és a jövőben elérjük a 3-4 ezret” – mondja Viktor Barsky. „Bár az országnak évente legalább 2 millió biochipre van szüksége, de ez az ún. fizetésképtelen kereslet Biochipjeinket 8 TB-os orvosi rendelőkben használják Oroszországban: Moszkvában, Szentpéterváron, Jekatyerinburgban, Novoszibirszkben, Kazanyban és Szaratovban. Most 10 további felszerelésére kaptunk megrendelést. egészségügyi központok". Megállapodást kötöttek az Orosz Föderáció Igazságügyi Minisztériumának Büntetés-végrehajtási Főigazgatóságával is a foglyok tuberkulózisának diagnosztizálásáról. Ennek a döntésnek a jelentőségét aligha lehet túlbecsülni, mert az orosz táborokban történt gyógyszerrezisztens tuberkulózis keletkezett és learatta borzalmas termését szerte a világon.

A BIOCHIP KIHÍVJA A RÁKAT

Az IMB kutatói azonban nem álltak meg itt. Sikerült biochipeket létrehozniuk bizonyos ráktípusok diagnosztizálására. Ezek a biochipek többféle típusúak, és alapvetően eltérően működnek.

Egyfajta biochip segítségével például azonosítani lehet a mellrákra, petefészekrákra, prosztatarákra stb. való hajlamot. "Ez annak köszönhető, hogy biochipjeink látják, vannak-e mutációk a egy adott, rákra hajlamos személy genomja" – magyarázza Viktor Barsky. „Az ilyen biochipeket azonban nehéz igazolni, mivel csak a betegség valószínűségét mutatják, és szerencsére az ember nem betegszik meg."

Más a helyzet a vérrák és a leukémia diagnosztizálására szolgáló biochipekkel. Különböző kromoszóma-átrendeződések okozzák. Külsőleg az ilyen típusú leukémiák nem különböztethetők meg egymástól, de másképp kell kezelni őket. Egyes leukémiák esetén a páciens modern gyógyszerekkel gyógyítható, míg másoknál - meg sem szabad próbálkozni, azonnal transzplantációt kell végezni. csontvelő. A biochipek lehetővé teszik, hogy azonnal azonosítsa, milyen típusú kromoszóma-átrendeződés okozta a leukémiát, ami lehetővé teszi az orvos számára, hogy kezdetben a megfelelő kezelési stratégiát válassza ki. Jelenleg a leukémia diagnosztizálására szolgáló biochipek minősítése folyik. Ezenkívül a biochipek lehetővé teszik, hogy azonnal megkülönböztessék a mellrák melyik formáját - jól vagy rosszul gyógyítható - szenved a páciens.

Végül pedig a biochipeknek köszönhetően valósággá vált orvosok sok generációjának álma, hogy a rákot a betegség legkorábbi stádiumában diagnosztizálják, amikor az még könnyen gyógyítható. Ez a technika azon a tényen alapszik, hogy bizonyos ráktípusokban bizonyos tumormarker fehérjék megjelennek a vérben, és biochipek diagnosztizálják ezeket. Igaz, a tumormarkerek megtalálásához és elemzéséhez nem DNS-re, hanem fehérje biochipekre van szükség. A szondák bennük antigénfehérjék, amelyek térben megfelelnek a páciens vérében lévő antitestfehérjéknek. Az orosz tudósok azonban nincsenek egyedül ezen a területen. Az ilyen biochipeket meglehetősen sikeresen állítják elő külföldön. A hazai tudósoknak nagyon keményen meg kell próbálniuk győzni ebben a versenyharcban.

ezermester

De a biochipek köre nem korlátozódik erre. A biochipeket különféle célokra állítják elő. Az influenza A kórokozóinak, köztük a madárinfluenzának, a herpesznek, a hepatitis B-nek és C-nek, valamint a terhes nők és újszülöttek különböző fertőzéseinek azonosítására, a fertőzésre való hajlam meghatározására szív-és érrendszeri betegségek. És van, aki ki tudja szolgálni a kriminológusokat, mert ők határozzák meg a nemet és a vércsoportot. A tudósok biochipeken dolgoznak a staphylococcus, kolera, diftéria, tetanusz toxinok, lépfene és pestis kórokozóinak, valamint a himlővírus fajtáinak kimutatására. „A biochipek segítségével meg lehet állapítani, hogy egy személy elviseli-e ezt vagy azt a gyógyszert, sőt azt is, hogy genetikailag mennyire alkalmas egy adott szakmára – mondja Viktor Barsky. „Például vannak olyan gének, amelyek felelősek az ember egészségéért. jó ellenállás az oxigénhiánnyal szemben. Ez azt jelenti, hogy „Ezen gének tulajdonosai dolgozhatnak például magasságban. Ezek a gének azonosíthatók”.

Azt kell mondanom, hogy Oroszországban más kutatócsoportok is foglalkoznak biochipekkel. Az influenzavírusok expressz diagnosztikájára szolgáló biochipet fejlesztenek a szentpétervári Orosz Orvostudományi Akadémia Influenza Kutatóintézetének tudósai a moszkvai Bioszerves Szintézis Intézettel közösen. Ez az eszköz úgy néz ki, mint egy hitelkártya, beépített receptorokkal az emberi és madárvírusok felismerésére. Mint Oleg Kiselev, az Orosz Orvostudományi Akadémia akadémikusa, az intézet igazgatója kifejtette, egy beteg madár biológiai anyagának biochipre történő felvitelével gyorsan kideríthető, hogy melyik típusú influenzavírusban szenved.

Az Orosz Orvostudományi Akadémia Kísérleti Orvostudományi Állami Kutatóintézetének szakemberei biológiai mikrochipet fejlesztenek az észlelésre korai fázis az egyik súlyos szövődmény cukorbetegség- diabéteszes nephropathia. Ez egy fehérje biochip, a rajta lévő próbák egy génmanipulált G-fehérje fragmentumai, amely megköti az emberi albumint. A biochip képes a vizeletben nagyon kis albuminkoncentrációkat rögzíteni, amelyek vesekárosodásra utalnak, és követni tudják ennek a mutatónak a változását a teljes kezelés során.

Az Orosz Orvostudományi Akadémia Hematológiai Kutatóközpontjában immunglobulinokon alapuló fehérje biochipeket készítenek, amelyek lehetővé teszik a kórokozók kimutatását a vérben. különféle betegségek, valamint antitestek, hormonok, citokinek és tumorsejtek.

A KÜLFÖLD SEGÍT MINKET?

Feltalálásuk óta az orosz biochipek megérdemelt népszerűségre tettek szert hazánkban és külföldön egyaránt. "Vannak európai partnerek, akik érdeklődnek technológiánk lehető legszélesebb körű bevezetésében" - mondja Alekszandr Zasedatelejev, az IMB RAS tudományos igazgatóhelyettese, a biológiai tudományok doktora. Másképpen kezeljék őket. Hamarosan más francia kórházakban is alkalmazni fogják őket." A vérrák diagnosztizálására szolgáló orosz biochipeket sikeresen használják Brazíliában. A volt FÁK országaiban a technológiát Fehéroroszországban, Ukrajnában és Kirgizisztánban fogják alkalmazni. Koreából is érkezett kérés. Az Egyesült Államokban több szervezet rendelkezik orosz eszközökkel és biochippel: a Centers for Disease Control, a Food and Drug Administration és egy arkansasi kórház, amely a migránsok tuberkulózisát kezeli. „Biochipjeinket nem adjuk el külföldre, hanem tudományos projektek keretében továbbítjuk” – hangsúlyozza Victor Barsky. Teljesen váratlan távlatok nyíltak a biochipek előtt: a NASA nem is olyan régen kezdett érdeklődni a földönkívüli élet kimutatásának lehetőségéről.

Természetesen külföldön is gyártanak biochipeket: több biotech cég az USA-ban (Affymetrix, Clontech, Motorola stb.), Japánban (Hitachi, Matsushita, Fuji), illetve Európában. Az amerikaiak rekordszámú DNS-szondát értek el egy mátrixon: akár tíz- és százezreket is. A hazai biochipeknek viszonylag kevés van nagyszámú sejtek szondákkal: 1000-től 4000-ig. De a betegségek bármelyik csoportjának diagnosztizálásához ez is elég. Az egyszerűségnek köszönhetően csökkenteni lehetett az árat és egyszerűsítettük az elemzést. "Egy orosz biochip segítségével végzett elemzés ára 500 rubel - mondja Dmitrij Grjadunov -, az Egyesült Államokban pedig egy elemzés 2000 dollárba kerül. Ezért a mi biochipjeink a külföldiekkel ellentétben tömeges felhasználásra alkalmasak."

Az elmúlt években Oroszországban is felkeltették az érdeklődést a biochipek. A Biochips projekt kormányzati szerződést kapott a Szövetségi Tudományos és Innovációs Ügynökséggel (Rosnauka) az Élő rendszerek kiemelt terület részeként.

BÉLYEGMÉRETŰ LABORATÓRIUM

A biochip a következőképpen van elrendezve. A mátrix-szubsztrátumon sok hidrogéllel ellátott sejt található (kb. 100 mikron átmérőjű, így négyzetcentiméterenként akár ezer sejt is elfér). A sejtek próbamolekulákat tartalmaznak: a biochip céljától függően ezek lehetnek DNS-, RNS- vagy fehérjék fragmentumai. Mindegyik sejt egy mikrocső analógja, amelyben reakció megy végbe a próbamolekulák és a vizsgált minta molekulái között. Ha ezek a molekulák úgy illeszkednek egymáshoz, mint egy zár kulcsa, akkor az úgynevezett hibridizáció következik be – a molekulákat kémiai kötések kötik össze. Az a sejt, amelyben a reakció végbement, fluoreszkál (mivel a mintát világító címkével előkezelték). A "chip-detektornak" nevezett speciális eszköz-analizátorban a világító pontok konfigurációja megmutatja, milyen mutációk vannak a páciens sejtjeiben, kimutatja a baktériumokat és vírusokat, valamint feltárja a mikroorganizmusok genetikai formáit - a betegség kórokozóit.

HOGYAN KÉSZÜLT A BIOCHIPE

A biochipeket többféleképpen lehet előállítani. Az ebben az irányban vezető amerikai Affymetrix cég ugyanúgy gyártja ezeket, mint az elektronikus chipeket (a kaliforniai Szilícium-völgyben található). Ennek a technikának megfelelően a DNS-fragmenseket - próbákat - közvetlenül egy üveglapra építik fel fotolitográfiával. A mikroelektronika magas fejlettségi szintje tette lehetővé ilyen lenyűgöző eredmények elérését - több tíz és százezer szondát egyetlen biochipen.

Az IMB RAS más megközelítést alkalmaz. A DNS-fragmenseket külön-külön szintetizálják, majd szigorúan meghatározott sorrendben alkalmazzák a szubsztrátumra. Ezt a munkát számítógéppel vezérelt robotok végzik. 100-4000 szonda kerül egy hazai chipre.

LEGÚJABB EREDMÉNYEK

A biochipek felhasználási területei évről évre bővülnek. Íme közülük a legérdekesebbek.

BIOCHIPS A HERESÉGÉRT

Az amerikai Northwestern Egyetem szakemberei biochipet fejlesztettek ki az amerikai hadsereg számára, amely képes kimutatni a bakteriális fertőzést. környezet. Ha patogén mikrobák DNS-e kerül rá, akkor a DNS-próbák fragmentumai, amelyekhez mikroszkopikus aranyrészecskék kapcsolódnak, sorakoznak fel. Az elektródák között áram folyik, és a biochip veszélyt jelez.

BIOCHIPS SPORTOLÓKNAK

A spanyol Sabiobbi cég talált fel egy biochipet, amely lehetővé teszi az edzés sportolók testére gyakorolt ​​hatásának meghatározását. Egyidejűleg 17 gént vizsgál, amelyek a test fizikai és anyagcsere-képességeihez kapcsolódnak. Az elemzések eredményei korrelálhatók a sportoló edzés közbeni terheléseivel, és a program módosítható. A szerzők úgy vélik, hogy ez a találmány elkerüli a fizikai túlterhelés miatti korai haláleseteket.

BIOCHIPE RENDŐRTISZTEK SZÁMÁRA

A mágneses nanorészecskéken alapuló bioszenzoros chipek és az ultraérzékeny mágneses szenzorok a nanorészecskék felületén lévő szondákkal reagálnak bizonyos biomolekulák megkötésére a mintából. Az ezen a területen végzett haladó fejlesztések a Philips Research Laboratories tulajdonát képezik. Egy ilyen bioszenzor 1 perc alatt képes kimutatni a morfin nyomokban lévő koncentrációját a nyálban - 10 nanogramm/ml.

BIOCHIPS ORVOSOKNAK

A svájci Roche farmakológiai konszern megkezdte a világ első biochipjének az amerikai piacra történő szállítását, amelynek segítségével az orvos előre meg tudja állapítani, hogy az adott betegnél ez vagy az a gyógyszer mennyire lesz hatásos és milyen mellékhatások hívhatja őt. A biochip az amerikai Affymetrix cég által kifejlesztett technológián alapul. A biochip két olyan gén mutációit elemzi, amelyek fontos szerepet játszanak az összes eladott gyógyszer mintegy negyedének, például az antidepresszánsoknak és a vérnyomáscsökkentő gyógyszereknek az asszimilációjában.

BIOCHIPE AZ ŰRHAJTÓKNAK

Az amerikai Marshall Űrközpont szakemberei biochip technológiát fejlesztenek elektronikus alkatrészekkel. Egy ilyen chip képes kimutatni a baktériumokat, fehérjéket, DNS-t, és a NASA szerint kétféle munkához lesz hasznos. Először is, a jövőbeni automatizált rendszerekben, amelyek életjeleket keresnek a Marson és más bolygókon. Másodszor pedig a jövőbeli marsi emberes űrhajók biztonsági rendszerének részeként és kutatóállomások esetleg földöntúli eredetű biológiai szennyeződéseket találni a lakható tereken belül.

Mindannyiunkat megvizsgáltak a klinikákon, és van elképzelése arról, hogy mennyi időt és erőfeszítést igényel. Vegyünk egy csomó tesztet, liter vért, majd kibírunk egy hétig tartó várakozást, hogy az orvosok laboratóriumaikban ellenőrizhessék a kémcsöveket baktériumok és vírusok szempontjából. Hamarosan azonban minden gyökeresen megváltozhat, és a vizsgálatok már nem riasztják el az embereket. Mi segít az összes betegség sokszor gyorsabb diagnosztizálásában?

Körülbelül húsz éve fejlesztették ki biológiai chip technológia. Ez a fejlesztés a Molekuláris Biológiai Intézethez tartozik. Engelhardt. Elmondhatjuk, hogy ez alatt a húsz év alatt a fejlesztés porosodott a polcokon, és senki sem dolgozott rajta. Most azonban a tudósok úgy döntöttek, hogy újra folytatják a chipekkel kapcsolatos munkát, és a közeljövőben chipek egész sorozatát fogják elkészíteni. A technológia fő előnye a számunkra jól ismert tesztfelvételi eljárásokhoz képest a hatékonyság.

Számos olyan betegség létezik, amelyek diagnosztizálása még a legjobb orvosoknak is több hetet vesz igénybe. Például annak érdekében, hogy azonosítsák a tuberkulózis kórokozóját, megértsék, milyen gyógyszereket kell felírni a betegnek, az orvosok akár tíz hetet is eltölthetnek, és ez hatalmas idő egy beteg szervezet számára. Egész idő alatt a beteg a kórházban van, és olyan gyógyszereket szed, amelyek nem adnak 100% -os garanciát arra, hogy segítik a szervezetet. Egyes betegek számára ezek a gyógyszerek alkalmasak, míg mások számára nem hoznak semmilyen előnyt. Ennek eredményeként az ember sok pénzt költhet a kórházi kezelésre és gondozásra, miközben nem részesül megfelelő kezelésben. Csak egy példa beszél arról, hogy milyen szomorú most a helyzet az orvostudományban.

Biológiai chipek megvalósítása

Biológiai chipek- Ez a képesség a páciens egészségi állapotának elemzésére legfeljebb 24 órán belül. Nemcsak a beteg számára jelentenek majd remek időt és pénzt, de még az ország összes gyógyszerét is megtakarítják a költségvetés jelentős részének. Ennek a technológiának a bevezetése óriási befektetés az orvostudományban és a megtakarításban Pénz országok. Még hivatalos adatok is mutatják, hogy mindössze egy év alatt az állam ésszerűen 5 milliárd rubelt takaríthat meg a biochipeknek köszönhetően.

A beteg megtakarítása azon a tényen alapszik, hogy nem kell pénzt költenie hatalmas számú vizsgálatra, hogy az egész testét megvizsgálja a betegség jelenlétére. Egy kémia doktora azt nyilatkozta, hogy egyetlen elemzéssel új technológia a beteg képes lesz ellenőrizni testét nyolc marker jelenlétére onkológiai betegségek. Sőt, a mai adatok szerint a chip 90%-os valószínűséggel képes pontosan kimutatni a betegséget és helyesen diagnosztizálni. Most egy személynek körülbelül hétezer rubelt kell fizetnie, hogy minden gyakori rákot megvizsgáljon. Egy chippel a páciens legfeljebb ezer rubelt költene. Vegyük ugyanazt a tuberkulózist - a technológia bevezetése után a betegnek körülbelül ötszáz rubelre lesz szüksége, hogy megvizsgálja a betegség jelenlétét. Vegye figyelembe, hogy külföldön egy chip ára körülbelül két dollár.

Mikrobiológusok végezték kutatásaikat, és megállapították, hogy a technológia segítségével valóban minden esély megvan arra, hogy nagyon sok betegséget diagnosztizáljanak rövid időn belül. A chip például sokféle leukémia, HIV, hepatitis B és C, többféle influenza, herpesz és sok más betegség kimutatására képes. Az elemzések a vizsgálat után néhány órán belül elkészülnek. Ha fennáll a járvány esélye, biochipek használata hatékonysága miatt fontos szerepet fog játszani az orvostudományban.

Alig egy napon belül a szakembereknek lehetőségük lesz felmérni az egyes vírusokkal kapcsolatos veszélyek kockázatait. Képesek lesznek meghatározni a járvány mértékét is. És ez már bebizonyosodott. Gryadunov, a biológiai tudományok kandidátusa elmondta, hogy a H1N1 influenza megjelenése idején sokan rettenetesen féltek tőle, pedig valójában nem jelentett nagy veszélyt az emberre, hiszen fehérjehéja rendkívül sérülékeny volt. . A madárinfluenza esetében nincs esély a járványra, amiatt, hogy nem terjed át egyik emberi betegségről a másikra.

könnyű címke

A chipek kialakítása nem olyan bonyolult. Van egy miniatűr lemez, amelyre a mátrix rögzítve van. A mátrix sok sejtet tartalmaz. Méretük nem haladja meg a száz mikront. A mátrix mindössze egy négyzetmillimétere több száz sejt befogadására képes. Kis kémcsövekhez hasonlíthatók.

Alekszandr Chudinov, aki személyesen is részt vesz a biológiai mikrochipek fejlesztésében, elmondta, hogy a technológia alapja a DNS-molekulák különleges tulajdonsága. Ez egy kettős hélix, amely 2 polimer láncból épül fel. A felépítés elve kiegészíti egymást.

A tudósoknak önállóan kell létrehozniuk egy DNS-szegmens egy láncát, de létrehozhatnak egy oligonukleotidot is. A legfontosabb dolog a lánc felépítésének helyes sorrendjének figyelembe vétele. A betegséget feltáró mutáció után kialakuló szekvencia helyes. A tudósoknak össze kell kapcsolniuk ezeket a szegmenseket egy chip cellával. Ezután a mátrixot egy speciális tokba kell helyezni, ahol hermetikusan védett lesz. A laboratóriumi asszisztens munkáját kell elvégezni - hozzáértő elemzést végezni. A minta lehet vérből vagy nyálból vett DNS-vírus. Lehetséges egy adott beteg DNS-ének tanulmányozása? Természetesen, ha van például genetikai hajlam egy adott betegségre, az néhány óra alatt kimutatható. Még bizonyos betegségek egyéni toleranciájának diagnosztizálására is van lehetőség.

A laboráns munkája a következő. Az így kapott képet egy kémcsőbe kell küldeni, majd hozzáadunk még néhány enzimet és nukleotidot (számos nukleotidot fluoreszcens anyaggal jelölünk).

Ennek eredményeként megindul a szintézis reakciója. Ez a DNS-szakaszok számának jelentős növekedéséhez vezet. És ami a legfontosabb, minden szegmensnek lesz egy fluoreszkáló markere. Most a "kész" mintát öntik a chipbe. Ha vannak olyan szekvenciák, amelyekben mutációk vannak, akkor kialakul a kapcsolatuk a szegmensekkel. Ezeknek a szegmenseknek a sorrendje eddig a pontig megváltozott. Ennek eredményeként a szekvenciák a kívánt cellát markerrel színezik.

A munka ezzel még nem ér véget, mert bizonyos megoldásokkal még gondoskodni kell a chip feldolgozásáról. Ezt az eljárást követően elküldik egy speciális olvasónak. Számítógéppel támogatott fluoreszcencia analizátornak hívják. Most a program működik. Elemezi a világító sejtek mintázatát, aminek köszönhetően kifejezetten azokról a DNS-szakaszokról jelennek meg információk, amelyek változáson mentek keresztül. Ennek eredményeként a szakember rendelkezik adatokkal arról, hogy mely gének változtak, milyen betegségei vannak a betegnek, milyen baktériumok, vírusok fertőzik meg szervezetét.

A cella formátuma háromdimenziós. És ez a tudósok kezében van, mivel rengeteg DNS-szegmens használható. Minél több szegmens, annál nagyobb az elemzési eredmények pontosságának százalékos aránya. Ma még speciális 3D-sejtek is léteznek, amelyekbe molekulákat küldhet, és biztos lehet benne, hogy elveszik biológiai tulajdonságait. Ehhez olyan hidrogélt hoztak létre, amely képes megőrizni a tulajdonságokat. A hidrogél összehasonlítható azzal a környezettel, amelyben a molekulák biológiai struktúrákban élnek, nagyon kevés különbség van. Ezeknek a fejlesztéseknek köszönhetően a biochipek 12 hónapig működhetnek. Szállításukat illetően nincs kérdés – különösen kritikus technológiai feltételek nem szükségesek.

Hogy áll most a technológia?

Biochipek egyelőre nem találhatók a klinikákon, mivel a munka csak a szakaszban van klinikai vizsgálatok. A chip-diagnózisban nem bíznak vakon – ellenőrzik azokat a betegségek kimutatásának számunkra ismert módszereivel. Ennek ellenére minden mikrobiológus biztos abban, hogy a jövő a biochipek mögött rejlik, csak kellő figyelmet kell fordítani erre a technológiára.

Vegye figyelembe, hogy 2016-ban számos tanulmány irányult az Alzheimer-kór elleni küzdelemre. A skizofréniát és az alkoholizmust is aktívan tanulmányozták. Figyelmet fordítottak egy diagnosztikai tesztrendszer kialakítására is, melynek alapja éppen abban rejlik biochipek segítségével képes feltárni a fenti betegségekre való hajlamot.

Nem mondható el, hogy a chipek olyan fejlesztések, amelyek máshol nem használhatók, csak az egészségügyben. Még a bűnüldöző szervek is érdeklődést mutattak a biochipek iránt. Különösen erre a területre fejlesztettek ki speciális chipeket, amelyek képesek megbirkózni huszonhárom marker azonosításával. Ez nagy szám, hiszen elegendő az emberi genom több tízezer különböző változatának azonosításához. Nagyjából elmondható, hogy a chip nagy pontosságú információkat nyújt arról, hogy egy személy képes-e elkövetni egy adott bűncselekményt. A vizsgálathoz csak biológiai mintákra lesz szükség, amelyek lehetnek nyál, haj stb.

Természetesen a nyomozati cselekményeket nem chip segítségével hajtják végre, hiszen még nem bizonyított, hogy mennyire pontos és valós információkat szolgáltat. A tudósok szerint azonban ennek a technológiának a használata rendkívül kedvező hatással lesz a bűnüldözési terület fejlődésére. Mit lehet mondani a végén? A molekuláris biológiában korábban fantasztikusnak tűnő korszak előtt nagyon kevés idő van hátra.

Biológiai mikrochip, biochip (biochip, görög. életrajz(ok)- élet és logók- fogalom, tan; görög mikros- kicsi és angol Forgács- fragmens) - hordozólemez, amelyen számos sejt (akár több tízezer) található meghatározott sorrendben, különféle egyszálú oligonukleotidokkal vagy bennük rögzített oligopeptidekkel, amelyek mindegyike képes szelektíven megkötni egy bizonyos, a sejtben található anyagot. komplex keveréket az elemzett oldatban. A biochipet molekuláris genetikai kutatásra, különböző emberi betegségek diagnosztikájára, magas patogenitású vírusok expressz diagnosztikájára, valamint állatgyógyászatban, mezőgazdaságban, törvényszéki, toxikológiában és környezetvédelemben használják. A biochipekről szóló első munkát modern formátumban (DNS-fragmensekkel) A. D. Mirzabekov et al. 1989-ben

A biológiai mikrochipek (biochipek), vagy, ahogyan szokás nevezni, DNS-mikrotömbök, a biológia és az orvostudomány egyik legújabb eszköze a 21. században. Jelenleg több biotechnológiai cég is aktívan gyártja őket. A Biochip technológia sikeresen alkalmazható mind kutatási célokra, mind pedig diagnosztikai célokra egészségügyi intézményekben.

A microarray-ek segítségével lehetőség nyílik több ezer és több tízezer gén munkájának egyidejű elemzésére, expressziójuk összehasonlítására. Az ilyen kutatások újat teremtenek gyógyszereket, derítse ki, mely gének és hogyan hatnak ezek az új gyógyszerek. A biochipek a biológiai kutatások nélkülözhetetlen eszközei is, egy kísérletben különböző tényezők (gyógyszerek, fehérjék, táplálkozás) hatását láthatjuk több tízezer gén munkájára.

A biochipek lehetővé teszik a vírusos és bakteriális kórokozók jelenlétének nagyon gyors meghatározását. Fontos orvosi alkalmazás biochipek - ez a leukémia és más vírusos betegségek diagnózisa. A biochipek segítségével gyorsan, néhány nap vagy akár órák alatt meg lehet különböztetni a leukémia külsőleg megkülönböztethetetlen típusait. A biochipeket különböző típusú rákos daganatok diagnosztizálására használják.

Az 1975-ben készült Southern blotting a modern "élő chipek" prototípusaként szolgált. Ed Southern. Jelzett nukleinsavat használt, hogy meghatározzon egy specifikus szekvenciát a szilárd hordozóra rögzített DNS-fragmensek között. Oroszországban a tudósok az 1980-as évek végén kezdtek el aktívan fejleszteni a biochipeket az Orosz Tudományos Akadémia Molekuláris Biológiai Intézetében, A. D. Mirzabekov vezetésével.

A biochipeket a legpontosabban a DNA-microarrays angol elnevezés írja le, i.e. ez DNS-molekulák szervezett elrendezése egy speciális hordozón. A szakemberek ezt a médiumot platformnak nevezik. A platform leggyakrabban egy üveglemez (esetenként más anyagokat is használnak, például szilíciumot), amelyre olyan biológiai makromolekulákat (DNS, fehérjék, enzimek) visznek fel, amelyek szelektíven meg tudják kötni a vizsgált oldatban lévő anyagokat.

Attól függően, hogy milyen makromolekulákat használnak, különböző típusú biochipek vannak, amelyek különböző célokra irányulnak. A jelenleg gyártott biochipek legnagyobb részét a DNS chipek teszik ki (94%), i.e. DNS-molekulákat hordozó templátok. A maradék 6% fehérje chips.

A makromolekulák szervezett elhelyezése nagyon kis területet foglal el a platformon, a postai bélyegtől a névjegykártyáig. A biochip mikroszkopikus mérete lehetővé teszi nagyszámú különböző DNS-molekula elhelyezését egy kis területen, és erről a területről információ leolvasását fluoreszcens mikroszkóp vagy speciális lézeres leolvasó eszköz segítségével (2.50. ábra).

A modern mikrochipek jellemző sejtméretei 50-200 µm között vannak, a chipenkénti sejtek teljes száma 1000-100 000, a chip lineáris mérete pedig körülbelül 1 cm. A felszíni mátrix biochipekben a DNS immobilizálódik üvegből, műanyagból, félvezetőből vagy fémből készült membránok vagy lemezek. A gél biochipekben a DNS-t egy speciálisan kezelt üvegfelületre felvitt, 10-20 µm vastag poliakrilamid gélrétegben rögzítik. A chips közvetlenül üveglapról is termeszthető fotolitográfiával, speciális mikromaszkok segítségével. Az immobilizálható DNS-t vagy egy mechanikus robot tűraszterein (tűkkel) vagy tintasugaras nyomtatótechnológiával viszik fel a felületre. A lerakódás minőségének ellenőrzése speciális optikával és számítógépes képelemzéssel történik. A festékkel jelölt DNS-molekulák tovább hibridizálódnak a biochipen.

Az oldatban hibridizálandó DNS-t fluoreszcens vagy radioaktív jelzéssel jelöljük. DNS-molekulák (például vad típusú DNS és mutációkkal rendelkező DNS) keveréke esetén mindegyiket saját fluoreszcens festékkel jelölik. A festék tulajdonságai nem függhetnek erősen a DNS összetételétől (A/T vagy G/C) és a hőmérséklettől. A sejtekben a fluoreszcencia intenzitását szkennerrel vagy fluoreszcens mikroszkóppal mérjük, amely jelet továbbít a CCD-hez. A fluoreszcencia azonban a fő, de nem az egyetlen módszer a hibridizáció tanulmányozására. Különösen a hibridizáció természetére vonatkozó adatok nyerhetők tömegspektrometriával, atomerő-mikroszkóppal stb.

Az immobilizált DNS-sel rendelkező összes típusú biochip működési elve a komplementer DNS-ek pontos megfeleltetésén alapul a Watson-Crick szabály szerint: A-T, G-C. Ha az immobilizált és hibridizált DNS nukleotidjai közötti megfelelés pontosan kielégíti a komplementaritás feltételeit, akkor a létrejövő duplexek lesznek termodinamikailag legstabilabbak. Ennek eredményeként véges hőmérsékleten több lesz belőlük, mint tökéletlen duplex, amely megsérti a komplementaritási feltételeket, és ennek megfelelően az erősebb fluoreszcens jel a tökéletes duplexeknek felel meg. Az eszköz - a biochip-elemző - munkája a legfényesebben világító cellák azonosításában és összehasonlításában áll.

A hibridizálandó DNS-t általában elegendő mennyiségben előállítják PCR-rel. A fejlettebb technológiákban a PCR-t közvetlenül a chipen hajtják végre. Emellett közvetlenül a chipen is végrehajtható fragmentáció, foszforiláció, DNS ligálás vagy mini-szekvenálás, amelyben a duplex hossza egy bázispárral megnő. Ez utóbbi technika hatékonyan alkalmazható mutációk megtalálására.

Nyugaton és Oroszországban mára két különböző irány és két eltérő szabvány alakult ki a biochipek létrehozására és felhasználására vonatkozóan. Az orosz biochipek olcsóbbak, míg a nyugati biochipek nagyobbak. Ugyanakkor Oroszországban a biochipeket főként kutatólaboratóriumokban végzik, Nyugaton pedig elsősorban katonai kutatásról és diagnosztikai chipek kereskedelmi gyártásáról van szó.

Az orosz onkológia orvosai tudományos központőket. N.N. Blokhin a Nyizsnyij Novgorodból érkezett kollégákkal együtt egyedülálló tesztrendszert fejlesztett ki immuncitokémiai kutatásokhoz. Egy egész laboratóriumot helyettesíthet, nincs analógja a világon, és magas pontszámot kapott Japán vezető onkológusaitól. Ennek az újításnak a segítségével már az első klinikai látogatás alkalmával megállapítható a rosszindulatú daganat jelenléte vagy hiánya a betegben. A tesztrendszer úgy van átgondolva, hogy az egész országban egyszerűen és gyorsan bevezethető legyen.

Az újdonság a "Biochip" nevet kapta. Ez az Orosz Rákkutató Központ hosszú távú közös munkájának eredménye volt. N.N. Blokhin, Nyizsnyij Novgorod Orvosi Akadémia és Epidemiológiai és Mikrobiológiai Intézet. BAN BEN. Blokhin.

A biochip alapvetően új fejlesztés – mondta az Izvesztyiának a tesztrendszer egyik szerzője, az Orosz Rákkutató Központ Izvesztyiáról elnevezett klinikai citológiai laboratóriumának vezetője. N.N. Blokhin, Marina Savostikova onkocitológus. - 2016-ban tudományos célú vizsgálati rendszert regisztráltunk Oroszországban, és nemzetközi szabadalmat kaptunk. A japán kollégák érdeklődtek a biochip iránt. 2016 végén megállapodást írtak alá velünk a fejlesztés ázsiai-csendes-óceáni térség országaiba történő átadásáról.

A tesztrendszert bármilyen rosszindulatú folyamat diagnosztizálására tervezték: rák, melanoma, limfóma. Ez maga egy biochip, egy szkenner az eredmények digitalizálásához, valamint egy szállító- és tápközeg a bioanyag tárolására.

A biochip egy 15 sejtre osztott szubsztrát, amelybe különféle antitesteket juttatnak be. A pácienstől elemzésre vett bioanyagot (kóros testfolyadékot vagy daganatból származó pontokat) szabványos centrifugában kell feldolgozni, amely bármely laboratóriumban beszerezhető, majd sejtekbe kell juttatni, ahol 37 fokra melegítve reakció lép fel. A reakció láthatóvá tétele érdekében fluorokróm jelöléseket adtunk az antitestekhez. Amikor egy rákos sejt antigénje reagál egy antitesttel, a sejt világít. Ezzel a ragyogással azonnal megállapíthatja, hogy vannak-e daganatsejtek a mintában vagy sem.

Ez a fluoreszcens immuncitokémia módszere – magyarázta Marina Savostikova. - A reakció szinte azonnali. A technológia lehetővé teszi az elemzést háromszor gyorsabban, mint a standard módszer, és háromszor olcsóbb. Bármely olyan klinika körülményei között végezhet vizsgálatot, ahol a páciens bármilyen panasszal jelentkezett.

Bár a biochip képes megkülönböztetni rosszindulatú daganat jóindulatútól, az orvosok nem javasolják, hogy mindenkit ily módon vizsgáljanak meg a rák szempontjából. Az elemzéshez a szúrással nyert patológiás szövetből folyadékot vagy sejteket veszünk.

Például egy páciens elment egy terapeutához, és panaszkodott a nyaki duzzanatról – magyarázza Marina Savostikova. - Lehet normális nyirokgyulladás, nyaki ciszta, allergiás reakció rovarcsípés, nyaki lágyrész-szarkóma. És ha a betegnek folyadék van a tüdejében, az ok lehet tuberkulózis, tüdőgyulladás, rák áttét, mesothelioma. Az új vizsgálati rendszer segítségével mindezt kizárhatjuk, és ajánlásokat adhatunk az orvosoknak, hol keressenek a problémát.

Ennek a diagnosztikai módszernek a széles körű bevezetéséhez nem szükséges onkocitológusokat ültetni az egyes poliklinika laboratóriumaiba. Csak minden laboratóriumot biochippel és szkennerrel kell felszerelni. Kívánatos, hogy rendelkezzen szállító tápközeggel (TPS) ellátott kémcsövekkel. Ez is a projekt szerzőinek fejlesztése. A TPS egy szorosan lezárt kémcső, amelybe bioanyagot vezetnek be. A tubus tartósítószereket tartalmaz, amelyek gátolják a mikrobák növekedését. Ebben a környezetben a bioanyag akár egy hónapig is tárolható hűtőszekrény nélkül.

A poliklinika vagy kórház sebészének szúrást kell végeznie, és a kóros anyagot be kell juttatnia a TPS-be, majd a biochipbe. Ezt követően helyezze a tesztrendszert a szkennerbe, amely elküldi a képet a referenciaközpont szakemberének.

Már elindítottuk a biochipek kisüzemi gyártását - mondta a projekt másik szerzője, a Biochip atomerőmű igazgatója, Szvjatoszlav Zinovjev. - Nyizsnyij Novgorodban található. Az automatizált biochip-nyomtatáshoz a nulláról készítettünk berendezéseket, mivel a világon nincs analóg, ezért nincsenek megfelelő tervezési megoldások. Szkennerek rendelésünkre és feladatmeghatározás Nyizsnyij Novgorodi vállalkozást is gyárt.

Szvjatoszlav Zinovjev szerint a szkennerek gyártása importhelyettesítés. Az egyes eszközök összköltsége 10-szer kevesebb lesz importált analóg. A szkennerek átmentek a laboratóriumi teszten, és most a fejlesztők benyújtják a regisztrációjukhoz szükséges dokumentumokat.

A biochipet egy szkennerbe helyezik, amely digitalizálja a képet és elküldi a regionális referenciaközpontba. Ott a nagy tapasztalattal rendelkező citológusok megnézik a képet, távolról elemzik a kapott anyagot, és visszaküldik a következtetést. A páciens a második orvoslátogatás alkalmával pontos diagnózist és lehetőséget kap a kezelés megkezdésére. Összes nehéz esetek, amelyet a regionális citológusok nem tudtak értelmezni, az Orosz Rákkutató Központ tanácsa mérlegeli. N.N. Blokhin. A fő referenciaközponttal való kommunikáció egy információs és elemző rendszeren keresztül történik, melynek létrehozása szintén a projekt részét képezi.

Nagyon fontos a lehető legkorábbi diagnózis felállítása. Mert rákos beteg ezek a kifejezések az életet jelentik. A célzott technológiák korában az onkológiát kezelik. Most az ötéves túlélési határ a norma. Vannak daganatok, amelyektől már nem halnak meg. Például ez egy daganat pajzsmirigy- mondta Marina Savostikova.

Szvjatoszlav Zinovjev szerint az új tesztrendszerrel végzett diagnosztika ingyenes lehet a betegek számára, mert az immuncitokémiai kutatások a kötelező egészségbiztosítás (CHI) szabványai közé tartoznak.

Nyizsnyij Novgorod, Csebokszári, Szentpétervár, Jaroszlavl, Rosztov-Don, Krasznodar és más régiók már bejelentették, hogy készek az új rendszer szerint dolgozni. Kommunikáltunk citológusokkal, az onkológiai rendelők igazgatóival és főorvosaival, egyes régiók minisztériumainak képviselőivel, és mindenhol nagy érdeklődéssel találkoztunk – mondta Szvjatoszlav Zinovjev.

A biochip készítői most a Roszdravnadzor lezárására várnak, amely nélkül lehetetlen elindítani a tömeggyártást.

Annak érdekében, hogy ne vesztegessük az időt, már megkezdtük a szakemberek képzését, akikkel együtt fognak dolgozni új rendszer, - pontosítja Marina Savostikova. - Nálunk citológusokat képeznek ki, vizsgáznak és bizonyítványt kapnak. És csak ezt követően tudják önállóan értelmezni a biochipen kapott eredményeket.

A Roszdravnadzor pozitív ítéletével a projekt résztvevői a projekt nagyon gyors megvalósítását ígérik. A tényleges határidő 2017 áprilisa.

A szakértők-onkológusok megerősítik az ilyen típusú diagnosztika tömeges bevezetésének szükségességét.

A biochip ötlete nem új. Intézetünkben is készülnek hasonló rendszerek, de egyelőre csak leukémia diagnosztizálására használjuk őket – Alexey Maschan főigazgató-helyettes – az Állami Költségvetési Intézmény Hematológiai, Immunológiai és Sejttechnológiai Intézetének igazgatója „FNKTs DGOI Dmitrij Rogacsov" az orosz egészségügyi minisztérium munkatársa elmondta az Izvesztyiának. - Valóban, a távoli régiókban probléma van a diagnosztika elérhetőségével, és az ilyen fejlesztések megoldhatják. A biochipet használó diagnosztika előnye a pragmatizmusában – a finanszírozás hiányával szemben egészségügyi intézmények egy ilyen tesztrendszer megoldhat néhány problémát. De csak akkor, ha megfelelt a klasszikus diagnosztikai módszerekkel való összehasonlításnak.

Az egészségügyi minisztérium onkológus főorvosa szerint az ilyen rendszereket meg kell ismételni, és nem csak nálunk.

Ez egy valóban egyedülálló tesztrendszer bármely rosszindulatú folyamat meghatározására, és eddig sehol a világon nincs analógja - mondta az Izvesztyiának Mihail Davydov, az Orosz Egészségügyi Minisztérium fő onkológusa, az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusa. – Ez egy fontos döntés a rákdiagnosztika területén, amit meg kell ismételni és meg kell mutatni nemcsak a hazai, hanem a külföldi kollégáknak is.

A biochip DNS- vagy fehérjemolekulák szervezett elhelyezése egy speciális hordozón - egy "platformon".

A platform egy tányér, amelynek területe csak 1 cm2 vagy kicsit nagyobb. Üvegből vagy műanyagból vagy szilikonból készül. Rajta szigorúan meghatározott sorrendben sok DNS- vagy fehérjemolekula helyezhető el. Ezért a jelenléte a szó kifejezésében - "mikro".

A biochippel különféle anyagok molekulái elemezhetők. Ehhez „felismerő” molekulákat rögzítenek rajta. Ezen molekulák mindegyikét a „próbamolekula” kifejezés jelöli, és mindegyik vizsgált molekula

"szonda molekula".

A biochipen lévő próbamolekulát maga a kutató határozza meg, azaz. megtervezi, hogy a vizsgált anyag molekulái között melyik molekulát keresse - folyadékban stb. Ha a DNS-t mikrochipen vizsgálják, akkor az DNS chip, ha a fehérje molekula fehérje chip.

Hogyan rögzítik a próbamolekulákat a biochipen?

Sok országban a próbamolekulákat közvetlenül egy üveglaphoz kötik, pl. a szubsztrátumhoz lézerek segítségével. Hazánkban a próbamolekulákat 100 mikronnál kisebb átmérőjű gélcellákba helyezik, a sejteket a mikrochip gyártási folyamata során rögzítik a lemezhez. Egy chipen lévő cellák száma már eléri a több ezret.

A sejtekben a próbamolekulák kémiailag kötődnek és funkcionálisan aktív állapotban vannak.

Mivel a sejtek háromdimenziós szerkezetű géllel vannak feltöltve, tartanak nagy mennyiség szonda molekulák, nem pedig chipek, amelyekben a próbamolekulákat egyszerűen egy lemezhez rögzítik. Az is fontos, hogy kémiai reakció a próbamolekula és a gélből a sejtbe bevitt próbamolekula között úgy megy végbe, mint a folyadékokban, tehát úgy, mint egy élő szervezetben.

Az egyes sejttípusok genomjának és proteomjának tanulmányozása a normában és bármely betegségben lehetővé teszi annak kiderítését, hogy melyik gén vagy gének okoznak egy adott betegséget.

A DNS-chipen kiderítik a betegség okát: a gén vagy gének szerkezeti hibáit, vagy a normál szerkezetű gén aktivitásának megváltozását.

A fehérje chipen a gén "lebontásának" következményeit a termékben - a sejtben lévő fehérjékben - bekövetkező változások határozzák meg. A sejt génjében vagy fehérjében bekövetkező változások a címkéjük vagy markere (az angol védjegyből - jel, címke).

Ezért: a jelölt gén egy markergén, a jelölt fehérje pedig egy markerfehérje. Ezek a markerek lehetővé teszik egy adott betegségre jellemző hibás vagy beteg sejt kimutatását a páciensben, beleértve a rákot is. őssejt. A betegség diagnosztizálása során egy markergént és egy markerfehérjét hasonlítanak össze egy normál sejtgénnel és annak termékével - a fehérjékkel.

Egyértelmű, hogy a DNS-chipen a próbamolekula markergén, egy külön sejtben történő kontrollhoz pedig egy normál gén, a fehérje microarray-ben vagy antitest, vagy antigén használható próbamolekulaként.

Biochipek előállításának módszerei

1. A DNS- vagy fehérjemolekulákat előszintetizálják, majd mátrixra helyezik. Ennek a módszernek a hátránya a próbamolekula alacsony sűrűsége a mátrixon, akár 1000 molekula, és ezek szintézisének fáradságos folyamata.

A markergén másolatai PCR-MMC módszerrel állíthatók elő, a markerfehérje másolataira nincs ilyen módszer. Másolatok készíthetők a marker fehérje gén mRNS-ének egy baktériumba: E. coliba vagy élesztősejtekbe történő beillesztésével.

2. A DNS chipek esetében az oligonukleotidok szintézise közvetlenül a mátrixon történik. Az ilyen chipekben sokkal nagyobb a próbamolekulák sűrűsége.

3. Oligonukleotidok alkalmazása a mátrix egy szigorúan meghatározott területére tintasugaras nyomtatóval.

Hazánkban a biochipeket - DNS chipet és fehérje chipet - az első módszer szerint készítik el.

A biochip az orvostudomány legújabb eszköze a 21. században. A markermolekulák szerint lehetővé teszi:

1) bármely betegség diagnosztizálására: annak kialakulása előtt vagy a legelején;

2) megtalálni ezt vagy azt a vírust, baktériumot és rákos sejtet a szervezetben;

3) egy fehérjechip számos vizsgált anyagban képes találni gyógyszereket az alacsony molekulatömegű vegyületek között;

4) ezeknek a problémáknak a megoldása a biochipeken órák alatt, nem napok alatt stb.

A biochipek működési elve és az elemzés szakaszai

1. DNS chip.

Tudjuk, hogy a DNS-molekula két komplementer szálból áll. Mindegyik lánc alapja négy nitrogénbázisból álló sorozat: adenin (A), guanin (G), timin (G) és citozin (C).

Ebben az esetben az egyik lánc bázissorrendje határozza meg a másik lánc bázisainak sorrendjét: A-T és G-C. Ha e komplementer bázisok között spontán hidrogénkötések jönnek létre, a két szál összekapcsolódik, azaz. kettős hélixté hibridizálódnak, és a szálakat összetartják. A DNS chip működési elve a komplementer bázisok egymáshoz való kötődési képességén alapul: A-t T-vel, G-t C-vel.

Az elemzés szakaszai DNS chip segítségével

1. Egy ismert markergén másolatai a chip sejtjeiben rögzülnek ennek a génnek egyetlen láncaként, azaz. „felei” cDNS.

2. A markergén másolatát izoláljuk a páciens vérplazmájából, azaz. mRNS.

3. Az mRNS molekulán a reverz transzkriptáz enzim segítségével a markergén egy másik lánca szintetizálódik, pl. a másik "fele" - cDNS. A PCR-MMC ezt a cDNS-t szaporítja – ezek próbamolekulák, és fluoreszcens festékkel vannak megjelölve.

4. A robot a szonda molekulákat a rákos őssejt marker génjeinek másolatával a chip bizonyos sejtjébe helyezi.

Ha a plazmamintából származó gének cDNS-e komplementer a megfelelő sejtekben lévő cDNS-sel, akkor hibridizáció megy végbe közöttük, és az ilyen sejtek ragyogni kezdenek. A chipet lézerrel pásztázzák, figyelve a fluoreszcens jel intenzitását az egyes cellákban. Vagyis a plazmában vannak markergének, ami azt jelenti, hogy a páciens szervezetében rákos őssejtek vannak.

Ha nincs hibridizáció ezek között a molekulák között, akkor ebben a plazmamintában nincs rákos őssejt marker gén.

Ha van egy mutációt tartalmazó gén, akkor a chipen lévő cDNS-e hibridizálódik a mutációt tartalmazó próbamolekula cDNS-ével. Ha ez egy wt53 szuppresszor gén, akkor ez rákos őssejt vagy -sejtek jelenlétét is jelezheti a páciens testében.

A rákos sejt szöveti őssejtből származik, mivel magzati fehérje gének vannak benne. Ezért a páciens plazmájának mintamolekuláiban ezeknek a géneknek a cDNS-e és hiánya lesz a kontrollban.

Minél alacsonyabb az epimutáns és mutáns marker gének titere egy páciens plazmamintájában, annál kevesebb rákos sejt található a szervezetében.

A rákos sejtek kimutatása egy páciens vérplazmájából vagy más biológiai folyadékokból - vizeletből, nyálból, könnyfolyadékból stb. - markergénekkel lehetővé teszi a rák diagnosztizálását, a markergének segítségével pedig a rákos sejt invázió tulajdonságait - rák mikrometasztázisok. És ez jóval azelőtt, hogy standard módszerekkel - ultrahang, radiográfia, CT vizsgálat satöbbi.

A biochip markergénekkel képes kimutatni a betegség veszélyét. Tehát ha markergéneket találunk, de termékeiket - a sejtben lévő fehérjéket - még nem találták meg, akkor ez a betegség előtti kimutatás. A rákkal kapcsolatban ezek rákmegelőző sejtek. Mivel ebben az esetben a biochip csak a betegség valószínűségét árulja el, egy ilyen chipet még nem kell tanúsítani.

A páciens vérplazmája a fő tartály, ahová a különböző szervekből származó, hibás vagy beteg sejtekből származó markergének behatolnak különböző szervekből, beleértve a rákos sejteket is. Az ilyen sejtek a szervezetben elhalás és apoptózis következtében elpusztulhatnak, majd génjeik az intercelluláris folyadékon keresztül a vérbe jutnak.

A markergének alacsony titere a páciens vérplazmájában a DNS-chipen végzett elemzés szerint, valamint termékük - fehérjék - hiánya betegséget jelenthet, ha jelen vannak, akkor betegséget. Ugyanez vonatkozik a rákra is. Ez a rák korai diagnosztizálását jelentheti – annak II.

2. Fehérje chip.

A fehérjeanalízishez használt chip szerkezete megegyezik a DNS chipek szerkezetével. Csak azokon a chipeken, amelyeken az enzimreakció zajlik, ritkább a sejtek elrendezése, azokon pedig, amelyeken a DNS-reakció játszódik le, gyakoribb.

A markerfehérjék egy gén vagy gének „lebomlása” termékei; egy normális sejtet egy adott betegségben hibás vagy beteg sejtté alakítanak. Ezek a fehérjék a sejtek felszínén jelennek meg, és antigénfehérjék, és betegségenként eltérőek.

A rákos őssejtben olyan magzati fehérjék és receptorfehérjék jelennek meg, amelyek a normál őssejtben nincsenek jelen. Hogy ezek fehérjék-antigének - a kérdés még nem megoldott.

Egy fehérje chipben mint próba molekula, azaz. a hibás vagy beteg sejt marker fehérjéje lehet antigén fehérje, majd a páciens szérumában meghatározzák az ellene lévő antitesteket. Ha egy antitestet próbamolekulának veszünk, akkor a páciens vérszérumában antigénfehérjét keresnek.

Az emberi genom dekódolásával kapcsolatban a sejtekben található fehérjék nagyszámú funkciójának elemzésére van szükség. különböző típusú, beleértve a korábban ismeretleneket is. Több ezer fehérje rögzíthető különböző mikrochip sejtekben, és egyidejűleg elemezhető, hogy képesek-e: megkötni egy ismert ligandumot, katalizálni egy adott enzimreakciót, kölcsönhatásba lépni antitestekkel, kis molekulatömegű vegyületekkel stb.

Egy rákos sejtben fontos a markerfehérjéken, a receptorfehérjéken és az ezek elleni antitesteken kívül az inváziós tulajdonságú fehérjék, a vaszkuláris endoteliális növekedési faktor-1 és ennek receptorfehérje vizsgálata a vérképző sejt felszínén stb. .

A fehérje chip működési elve

Ez is a résztvevő molekulák, de a fehérjék komplementaritásán alapul.

1. Antigén az antitestével. Az antigén minden olyan anyag, amely általában tartalmaz valamilyen fehérjét, amely immunválaszt válthat ki.

Az antitest egy fehérjemolekula, amelyet az egyik sejt választ ki immunrendszer. Ennek a molekulának az alakja és az elektromos töltés eloszlása ​​a felületén képessé teszi egy olyan antigén megkötésére, amely alakjában és töltéseloszlásában komplementer vele.

Először 1942-ben. Nobel díjas L. Pauling és munkatársai azt a helyes feltételezést terjesztették elő, hogy egy antigén és antitestének háromdimenziós szerkezete

Kiegészítik egymást, és így „felelősek” az antigén-antitest komplex kialakulásáért.

2. Szubsztrátum a saját enzimével. A topokémiai megfelelés hipotézise alapján az enzim hatásának specifitása a szubsztrát azon részének felismerésével függ össze, amely a katalízis során nem változik. Pontos érintkezések és hidrogénkötések jönnek létre a szubsztrát ezen része és az enzim szubsztrát központja között.

3. Kis molekulatömegű vegyülettel rendelkező fehérje. A fehérje gátlásához kötésre van szükség közöttük - a fehérjemolekula aktív helyeivel való kapcsolat komplementer felületére,

4. Kis molekulatömegű vegyülettel rendelkező enzim. Az enzimek és más fehérjék létrehozzák a rákos sejt minden tulajdonságát, így ezek a gyógyszerek fő célpontjai. Egy enzim kis molekulatömegű vegyület általi blokkolásához komplementaritásuk is szükséges: a vegyület molekula felületének a szubsztrát régió felületének másolatának kell lennie, amely nem változik a katalízis során.

Az elemzés lépései fehérjechip használatával

1. Egy ismert fehérje van rögzítve a chip sejtjeiben – egy olyan fehérje elleni antitest, amely egy adott betegség hibás vagy beteg sejtjét hoz létre. A célfehérje a marker fehérje.

2. A páciens vérszérumából szérummintát veszünk elemzés céljából. Fluoreszcens festéket adunk a mintához – minden marker fehérjemolekula megkapja ezt az anyagot.

3. Egy robot segítségével a mintából származó szérumcseppeket a chip bizonyos celláiba helyezzük. A próbamolekulák keresik komplementer molekuláikat a próbamolekulák között. Ha van ilyen molekula, akkor az a chip sejtjében lévő próbamolekulához kötődik; kémiai reakció megy végbe közöttük, és ez izzani kezd.

4. Azok a sejtek, amelyekben fényes fény jelenik meg, a kívánt markerfehérje jelenlétét jelzik. Mivel ez a fehérje egy adott betegség hibás vagy beteg sejtjéből származó marker, jelzi a betegség kezdetét a betegben. Hasonlóképpen, a rákos sejt(ek) jelenlétét a páciens testében a markerfehérjék mutatják ki.

Ha a chip sejtjeiben egy antigén fehérje van rögzítve, akkor a marker fehérje elleni antitesteket keresik a páciens vérszérumában. Ha a szérum a marker fehérjével szembeni antitesteket tartalmaz, az rákos sejtek jelenlétét jelzi a páciens szervezetében, pl. beteg a beteg. És a rákos sejt invázió tulajdonságait jelző markerfehérjék, például az Mts1 fehérje és mások jelenléte révén lehetséges a rákos sejtek mikrometasztázisainak regisztrálása valahol a páciens testében.

Azt már tudjuk, hogy azok a fehérjék, amelyek a rákos sejtekben termelődnek, de a normál sejtekben nem, markerfehérjék vagy antigének. Az ilyen fehérjék jelenléte annak a jele, hogy az a gén, amely egy normál sejt rákos sejtté történő átalakulását okozza, megkezdte pusztító munkáját. A rákos sejt(ek) markerfehérjékkel történő kimutatása lehetővé teszi a rák vagy annak mikrometasztázisainak diagnosztizálását jóval azelőtt, hogy a betegnél a tüneteket észlelnék. A marker fehérje titere a páciens vérszérumában határozza meg a rákos sejtek számát a szervezetében. A rákos sejtekből származó markerfehérjék alacsony titere a vérszérumban, valamint a beteg egyéb folyadékaiban azt jelzi, hogy a páciens testében kevés rákos sejt található. Ez válhat belőle korai diagnózis rák - annak II. szintje.

Tehát a 21. században, amikor egy adott betegséget okozó markergéneket és markerfehérjéket azonosítanak, annak diagnosztizálása, beleértve a rákot is, koraivá válik, pl. két szinten: 1) "a kezdet előtt" - marker gének és 2) "a legelején" - marker fehérjék által.

A hibás vagy beteg sejtben lévő markergének és markerfehérjék új gyógyszerek célpontjai vagy célpontjai. Ezek alapján gyógyszereket és egyéb eszközöket, köztük vakcinákat hoznak létre. A célmolekulákkal való komplementaritás miatt a gyógyszerek szelektíven hatnak, anélkül, hogy károsítanák a normál sejteket.

Az orvos a betegség génjeire hatva képes lesz megelőzni, a sejtek fehérjéire ható markerekre hatva pedig már az "embrióban" gyógyítható.

Ezzel a két módon az orvos úgyszólván teljes hatalmat szerez bármely sejtszintű betegség felett.

A markergének és markerfehérjék keresése a páciens testének különböző környezeteiben gyorsan és pontosan elvégezhető biochipeken, emellett a markergének is kimutathatók a legpontosabb módszereket: PCR-MMK és MS-PCR. Ez forradalmat jelent az orvostudományban.

A tudósok azonosítani fogják azokat a markergéneket és markerfehérjéket, amelyek egy adott betegséget okoznak, beleértve egy rákos sejt előfordulását. Akkor lehet majd fejleszteni korai diagnózis minden olyan betegség, amelynek minimális készletei vannak: markergének és markerfehérjék. Az új ismeretek megszerzésével kiegészítik és finomítják őket. Ez lesz a betegség gén- és fehérje "profilja", amely biochipekre kerül át.

A DNS-chippel és egy fehérjechippel végzett konkrét betegségmarkerek vizsgálata egy személyben számos előnnyel jár.

A negatív eredmény örömet okoz az embernek, és megmentheti a szokásos módszerekkel végzett vizsgálattól: ultrahangos eljárás, radiográfia stb.

A pozitív eredmény lehetőséget és időt ad a személynek arra, hogy lépéseket tegyen a betegség kockázatának csökkentésére, vagy a betegség kezdetén megfelelő kezelést kezdjen.

A rák korai felismerése különösen fontos. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy egyrészt a rák oka egy rákos sejt, és az a gazdaszervezet sejtjéből származik, másrészt egészen a közelmúltig nem volt ismert abszolút különbség a rákos sejt és a normál között. sejt.

Eddig úgy gondolják, hogy a rákos sejtek mindegyik típusát a "saját" génjei és fehérjéi jellemzik. De a genom minden sejttípusban ugyanaz. Ha elfogadjuk, hogy egy rákos sejt „saját” minden sejttípusból, akkor miért azonosak bármely típusú rákos sejt tulajdonságai?

Egy sejttípus jön létre egyes gének metiláció miatti elnyomásával, más gének expressziója pedig a promoterük demetilációjával.

Most az is bebizonyosodott, hogy bármilyen típusú sejt rákossá válik a benne lévő magzati fehérje gének derepressziója miatt. Vagyis egy sejttípus kialakulása és a rákos sejt normális sejtből való megjelenése az független barát folyamatokat egymástól. Ebből a két tényből feltételezhető, hogy léteznie kell közös marker géneknek és termékeiknek - fehérjéknek bármilyen típusú rákos őssejt számára.

Gyakori gének és termékeik - fehérjék lehetnek: gén és enzime - telomeráz, "5T4" kódjelzésű gén és fehérje, az oct-4 gén és az Oct-4 fehérje, a Nanog gén és a fehérje, a mts 1 gén és Mts 1 fehérje, oszteopontin gén és fehérje stb.

Ha megerősítik, ez valódi áttörést jelentene sok, ha nem az összes rákos probléma megoldásában:

Bármilyen típusú rákos őssejt korai és pontos diagnosztizálása közös markergén és terméke, egy markerfehérje alapján;

Univerzális gyógyszerek és gyógymódok, beleértve a vakcinát is a rákos őssejt és áttétek ellen.