В России разработаны биочипы

В России разработаны биочипы, которые дадут возможность обследовать организм пациента за считаные часы.

Сегодня, чтобы провести обследование организма на наличие в нем вредоносных бактерий, болезнетворных вирусов, пациенту приходится чуть ли не литрами сдавать кровь натощак в множество пробирок или неделями маяться в стационаре, дожидаясь, пока зараза, если она притаилась, "созреет" в лабораториях и даст посев. Скоро все изменится. Диагностика почти всех заболеваний будет проходить быстрее, удобнее и намного дешевле.

Время и деньги

Разработанная более 20 лет назад в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (ИМБ РАН) технология биологических микрочипов долгое время существовала лишь на уровне опытных разработок. Но сегодня ученые уже готовы запустить этот продукт в промышленную серию. Проведение клинических исследований с использованием биочипа принципиально отличается от обычных анализов прежде всего оперативностью. Для диагностирования некоторых заболеваний по классическим технологиям сегодня требуется не один день. Так, например, для выявления возбудителя туберкулеза и его лекарственно-устойчивых форм необходимо от восьми до десяти недель. Все это время больной находится в стационаре, получая стандартный набор лекарственных препаратов, которые действуют для впервые обратившихся пациентов лишь в 80 процентах случаев. Выходит, что остальные зараженные пациенты, невосприимчивые к данным лекарствам, получают неадекватное лечение и вдобавок являются активными носителями туберкулеза. Стоимость такого псевдолечения влетает стране в копеечку: цена койко-места в противотуберкулезных центрах в 2009 году составляла в среднем 1500 рублей в день (порядка 95 тысяч рублей за курс).

Биочипы, разработанные нашими учеными, позволяют провести анализ состояния здоровья пациента максимум за сутки, а это существенная экономия денег. Согласно расчетам, проведенным ФГУ "Центральный НИИ организации и информатизации здравоохранения", экономия бюджетных средств при внедрении технологии биочипов для диагностики туберкулеза и определения лекарственной чувствительности возбудителя составляет не менее 70 рублей на каждый вложенный рубль. Исходя из таких оценок, в Минздравсоцразвития РФ подсчитали, что в 2009 году экономия бюджетных средств только на этом направлении составила не менее 5 миллиардов рублей.

Кроме того, разработанные технологии могут существенно сократить расходы тех людей, которые решили проверить свое здоровье. Руководитель группы белковых биочипов кандидат химических наук Алла Рубина утверждает, что "при помощи всего лишь одного анализа можно проверить человека на наличие восьми маркеров самых распространенных онкозаболеваний". Например, с точностью до 90 процентов можно определить вероятность возникновения рака молочной железы. Выявление этих онкомаркеров общепринятыми методами сегодня стоит порядка 7 тысяч рублей. Тестирование на биочипе обойдется в тысячу рублей. И это самый дорогой анализ. Например, стоимость проверки на туберкулез обойдется примерно в два раза дешевле. Для справки: стоимость биочипов западного производства начинается от 200 долларов.

Микробиологи уверяют, что технология производства чипов уже сегодня позволяет им создавать тестирующие матрицы для выявления самого широкого спектра заболеваний. Сюда входят 13 типов лейкоза, ВИЧ, герпес, ветряная оспа, гепатит В и 36 подтипов гепатита С, 30 подтипов вируса гриппа А, включая птичий H5N1 и свиной H1N1. Во всех этих случаях анализ не заставит себя долго ждать, его результаты появятся уже через несколько часов. Такая оперативность особенно важна при угрозе эпидемий. Микробиологи совместно с медиками-инфекционистами смогут в кратчайшие сроки оценить опасность, исходящую от конкретного вируса, и определить степень его пандемичности. И опыт уже есть. "Например, грипп H1N1, которым так пугали, был не особо опасен из-за уязвимости своей белковой оболочки, - рассказал руководитель группы анализа патогенных бактерий и вирусов кандидат биологических наук Дмитрий Грядунов. - Куда более совершенным в смысле патогенности оказался птичий грипп, но он не мог передаваться от человека к человеку, что и спасло от страшной эпидемии".

Светлая метка

Сама конструкция чипа такова: на небольшой пластинке располагается матрица, состоящая из ячеек. Их размер составляет от 10 до 100 микрон. На одном квадратном миллиметре матрицы помещаются сотни таких ячеек. Каждая из них - своеобразная пробирка. "Принцип работы биочипов, - рассказывает старший научный сотрудник лаборатории биологических микрочипов кандидат химических наук Александр Чудинов, - основан на особом свойстве любой молекулы ДНК, представляющей собой двойную спираль, которая образована двумя полимерными цепями. Построение цепей происходит по принципу комплементарности - взаимному соответствию соединений оснований нуклеиновых кислот четырех типов. Это аксиома". Используя это правило, ученые сами создают одну цепь отрезка ДНК, или олигонуклеотид, в той последовательности, которую она приобретает в результате мутации, определяющей заболевание. Эти неполноценные отрезки химически привязывают к ячейке биочипа. После нанесения ячеек готовую матрицу герметично упаковывают в унифицированный корпус. Теперь дело за лаборантом, который работает уже с анализируемым образцом. Им может быть ДНК вируса, взятого из крови, слюны или, например, легочной пробы больного. Могут исследовать ДНК самого пациента, если нужно проверить его на генетическую предрасположенность к определенным онкологическим, наследственным заболеваниям или на индивидуальную переносимость некоторых типов лекарственной терапии.

Лаборант помещает биологический образец в пробирку и туда же заливает определенные ферменты и отдельные нуклеотиды, часть которых помечена флуоресцентным веществом. В пробирке запускается реакция синтеза нужных отрезков ДНК. В итоге их оказывается уже не тысячи, а миллионы, и все они содержат флуоресцентный маркер. Далее проба заливается в биочип. Если в ней имеются последовательности, содержащие мутации, то они в соответствии с принципом комплементарности связываются с отрезками, содержащими заранее измененные последовательности, и окрашивают соответствующую ячейку маркером. Потом чип обрабатывают специальным раствором и помещают в считывающее устройство - флуоресцентный анализатор, соединенный с компьютером. Программа анализирует полученную картину светящихся ячеек и определяет, какой именно отрезок ДНК в пробе изменен. В результате на экране монитора специалист видит и картину матрицы биочипа со светящимися ячейками, и текстовую информацию об измененных генах, заболевании пациента, типе вируса или бактерии.

Ячейки имеют трехмерный формат, что позволяет задействовать в тысячу раз больше отрезков ДНК, а это существенно повышает точность проведения анализа и его эффективность. Так, на матрицу биочипа можно нанести ячейки, способные определить, например, сразу все подтипы вируса гепатита С. В 3D-ячейки научились также помещать молекулы, сохраняющие биологические свойства. Это стало возможным благодаря запатентованной технологии их размещения в гидрогеле. Такая среда очень похожа на ту, в которой молекулы находятся в биологических структурах. Из-за этой особенности срок годности российских биочипов удалось довести до года, причем для хранения и перевозки наших чипов не требуется особых условий.

На всякий случай

Сейчас биочипы проходят клинические испытания. Любой диагноз, поставленный с их помощью, в обязательном порядке проверяется классическими методами. Но микробиологи не сомневаются, что это направление в ближайшие годы будет стремительно развиваться. С прошлого года институт выполняет исследования по изучению генетической предрасположенности жителей России и стран Европы к болезни Альцгеймера, алкоголизму и шизофрении, а также по созданию диагностической тест-системы на основе биочипов для определения индивидуального генетического риска развития этих заболеваний.

Впрочем, вовсе не обязательно, что биочипы будут использоваться лишь в области здравоохранения. Например, новинкой заинтересовались правоохранительные органы. Для них уже создали чипы, которые позволяют идентифицировать 23 маркера, определяющих более 30 тысяч вариантов генома человека. Проще говоря, можно будет с точностью до одной тридцатитысячной узнать, причастен ли конкретный человек к преступлению, по найденным на месте любым биологическим образцам (волос, частицы кожи, слюна). Эти методы пока проходят опытные испытания и не могут являться доказательством в суде, но никто не запрещает их использование при проведении следственных действий. В будущем, как обещают исследователи, точность получаемых при помощи биочипов сведений будет практически абсолютной. И это станет началом новой эпохи в молекулярной биологии.