Против карт » Публикации » Биологические чипы – революционная технология, не получившая широкого применения.

Биологические чипы – революционная технология, не получившая широкого применения.

 (голосов: 0)

Биологические чипы – революционная технология, не получившая широкого применения. Почему?

17 июня 2011 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: биологические чипы, ДНК-микрочип

Микробиочипы — это технология, которая сегодня довольно активно применяется в молекулярной биологии и представляет собой способ детекции, а именно, способ определения каких-либо генетических вариантов: мутантных или нормальных.

Перед тем как происходит детекция на чипах, гены проходят специальные варианты полимеразной цепной реакции, ПЦР (по сути это — размножение интересующего ученых участка гена так, чтобы его можно было увидеть визуально при помощи каких-либо методов). Вот одним из таких методов, при помощи которого можно увидеть размноженный участок гена, и являются биочипы или микрочипы.

О том, где сегодня применяются биологические чипы и почему до сих пор эта технология не получила широкого распространения в медицинской практике, беседа с выпускником СПбГУ, ученым-генетиком, научным руководителем компании «ГЕН» группы компаний Алкор Био, к.б.н. Григорием Деминым.

Григорий, как выглядит биочип?

Григорий Демин: Начнем с того, что микробиочипы — это технология, которая сегодня довольно активно применяется в молекулярной биологии и представляет собой способ детекции, а именно, способ определения каких-либо генетических вариантов: мутантных или нормальных. Перед тем как происходит детекция на чипах, гены проходят специальные варианты полимеразной цепной реакции, ПЦР (по сути это — размножение интересующего нас участка гена так, чтобы его можно было увидеть визуально при помощи каких-либо методов). Вот одним из таких методов, при помощи которого можно увидеть размноженный участок гена, и являются биочипы или микрочипы.

Как выглядит чип? Это стеклышко, подобное предметному стеклу для микроскопа, хорошо известному нам еще со школы. На это стекло нанесены микрокапельки (специальная смесь реагентов), их можно увидеть на просвет невооруженным глазом. В этих каплях и происходит определение наличия или отсутствия мутаций. Когда реакция во всех каплях прошла, их смотрят в специальном устройстве, сканере чипов. И по тому, какие капельки светятся, а какие — нет, исследователи делают вывод: есть мутация или нет. Для такого исследования берется любой биоматериал, который содержит ДНК человека, к примеру, слюна. Но это всего лишь частный вариант того, как выглядит эта технология.

Как и с какой целью на практике применяется эта технология?

Григорий Демин: Существуют разные чипы, они разделяются на два класса. Наибольшее распространение в настоящее время получили исследовательские чипы. На этих чипах могут быть сотни, тысячи, десятки тысяч и даже миллионы анализируемых точек. Для анализа результатов, полученных с помощью таких чипов, требуются серьезные программные комплексы, которые общитывают полученные данные и специальные знания, как вычленить нужный результат. Одно из самых частых применений этих чипов — сравнение так называемых экспрессионных профилей (когда, по сути, смотрится активность десятков и сотен тысяч генов человека).

С помощью экспрессионных профилей смотрят, например, как организм человека реагирует на то или иное воздействие. Возьмем, к примеру, интоксикацию организма: для сравнения берут образцы клеток у человека, который отравился каким-то веществом и образцы клеток здорового человека. А затем смотрят, сравнивают и делают выводы: какие гены начали активно работать в ответ на отравление, то есть, какие гены начали продуцировать белки. Таким образом, можно предположить, что в защитные механизмы, которые противодействуют этому отравлению, вовлечены именно эти гены. Далее происходит подробное изучение этих генов.

Таким же образом изучают и различные болезни. Например, при сердечнососудистых заболеваниях смотрят экспрессионный профиль человека, у которого нет сердечнососудистой патологии, и человека, который, к примеру, перенес инсульт. Сравнивают две картины, состоящие из миллионов ячеек и видят, что из этих миллионов, скажем, две тысячи светятся сильнее у больного, чем у здорового, а другие две тысячи, наоборот, светятся слабее, чем у здорового. Вывод: как раз с этими ячейками (то есть с этими генами, с этими мутациями) и связано развитие заболевания.

Основные минусы исследовательских чипов — трудность и длительность анализа полученной информации. В огромном количестве полученных данных могут разобраться только очень подготовленные специалисты, и это занимает много времени. При этом до применения этих знаний на практике еще очень далеко, скорее, это предварительные данные, помогающие сузить область поиска.

Второй тип чипов — это диагностические чипы. Диагностические чипы применяются в медицинской практике. От исследовательских чипов они отличаются количеством точек, которых здесь гораздо меньше (от десятка до нескольких сотен) и точностью — она значительно выше, чем у исследовательских. Вероятность ошибок у диагностических чипов — доли процента, и это уже приемлемо для диагностики.

Я знаю, что вы принимаете участие в разработке такого чипа: проект научно-исследовательской компании «ГЕН» «Разработка набора «МВ25-ЧИП» с применением нанобиотехнологии ДНК-микрочипов для диагностики муковисцидоза и нарушений репродуктивной функции человека» в декабре 2010 года стал победителем конкурса на присуждение премии Правительства Санкт-Петербурга за лучший инновационный проект, реализуемый в рамках кластера. Может, расскажете о целесообразности создания диагностических чипов на конкретном примере?

Григорий Демин: У ребенка муковисцидоз разовьется только в том случае, если и от мамы и от папы он унаследует по одному дефектному, мутантному гену — гену муковисцидоза. Поэтому очень важно проводить генетическое тестирование еще на стадии планирования беременности. Кроме этого, можно проводить пренатальную (дородовую) диагностику с целью исключения рождения ребенка с такой патологией. Ну, а если ни то, ни другое, сделано не было, остается ранняя диагностика муковисцидоза.

В нашей стране муковисцидоз является одним из пяти заболеваний, на которые проводится неонатальный скрининг, то есть скрининг всех новорожденных. Следовательно, в России ежегодно порядка 1 млн. новорожденных проходят тестирование на муковисцидоз. Как это происходит: у младенца берут кровь из пятки, капают ее на фильтровальную бумажку, которую затем отправляют в специализированную лабораторию на исследование. В нашей стране принят трехступенчатый скрининг на муковисцидоз. Проводится биохимическое тестирование, а генетическая диагностика является лишь рекомендательной, хотя именно на основании генетической диагностики можно поставить точный диагноз. Именно поэтому в большинстве стран мира, где проводится такая диагностика, генетическое тестирование включено в обязательную часть скрининга.

Создание в нашей стране биочипа на муковисцидоз даст возможность применения сертифицированной и современной тест-системы для генетической диагностики, которая отвечает как последним международным знаниям, так и последним рекомендациям международной ассоциации по муковисцидозу. А также позволит выявлять до 90% всех больных, что значительно превосходит эффективность существующих на данный момент генетических тест-систем и сравнимо с эффективностью биохимического скрининга, при этом превосходя его по точности. Преимуществом чипа на муковисцидоз является и то, что он одновременно и скринирующий и диагностирующий, то есть позволяет избежать нескольких процедур скрининга: вместо трех этапов, подтверждающих один другой, будет достаточно одного или двух.

Кому принадлежат лавры создателя технологии биологических чипов?

Григорий Демин: Россия, к нашей чести, является одним из пионеров в разработке технологии чипов. В Москве, в Институте молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН, под руководством академика А.Д.Мирзабекова в течение двух десятилетий велась работа по созданию этой технологии. В результате были разработаны так называемые объемные биочипы, где капли представляют собой специальный гель, нанесенный на стекло. Данная технология применяется сейчас, в основном, для диагностики туберкулеза.

Первые чипы, как коммерческий продукт, появились в начале 2000-х. Сама же технология была разработана в девяностых годах, ее даже предлагали купить американцы, но наши ученые проявили патриотизм и оставили технологию в пределах государства. Параллельно шла разработка технологии чипов и в целом ряде других стран, но российские ученые одни из первых получили результат.

На ваш взгляд, биологические микрочипы — перспективная технология? И насколько широко она сегодня используется в медицинской практике?

Григорий Демин: Это, несомненно, перспективная технология в случаях, когда необходимо одновременно определить достаточно большое число мутаций. Как, например, при диагностике муковисцидоза, когда чипом тестируется сразу 25 мутаций. В таких ситуациях, конечно, технология микрочипов имеет большое значение, поскольку существенно экономит время и реагенты и сразу дает полную картину. Если же необходимо тестировать меньшее количество аналитов, то применимы другие технологии, например, ПЦР в реальном времени.

Однако сегодня тестирование при помощи биочипов в здравоохранении применяется довольно редко, гораздо шире эта технология используется в научной деятельности, что характерно и для России, и для Западной Европы, и для США. Многие научно-исследовательские институты по всему миру имеют у себя эти системы и используют их для внутренних целей (для внутренней диагностики в стенах института или в стенах клиники), но не для коммерческого распространения.

Почему эта технология не получила широкого применения?

Григорий Демин: Когда мы занялись разработкой микрочипа на муковисцидоз, к нам пришло понимание, почему эта технология не получила широкого распространения. Это связано, во-первых, с дороговизной оборудования, которое необходимо для производства чипов. Цена специального робота, который наносит капельки на стекло, весьма и весьма существенна. С другой стороны, имеются определенные научно-технические сложности, с которыми приходится сталкиваться разработчикам таких тест-систем, и, возможно, с этим также отчасти связано то, что технология не пошла.

И можно также предположить, что в ряде случаев на Западе просто перешли к альтернативным технологиям, к примеру — секвенированию (прочтению всего генома). Безусловно, некоторые институты просто не имели возможности коммерционализировать эту технологию и поэтому используют ее для собственных нужд. А коммерческие компании, как правило, используют другие технологии. А сочетания научной разработки и коммерческого внедрения так и не произошло. Но для диагностики определенных заболеваний технология чипов — это определенно интересное решение, которое не имеет аналогов.

Какое необходимо иметь образование, чтобы заниматься подобными разработками?

Григорий Демин: Специалисты, которые работают в этой области — это, в первую очередь, генетики. В СПбГУ таких специалистов готовят на биолого-почвенном факультете, на кафедре генетики и селекции. Также и другие кафедры, так или иначе связанные с молекулярной биологией, готовят специалистов, которые могут принимать участие в подобных разработках. Например, кафедра биохимии или кафедра цитологии и гистологии.

Биочип
Биочип как продукт является результатом слияния двух областей знаний — биотехнологии и технологии полупроводников. Биочип в компактном формате позволяет выявлять различные внутриклеточные процессы, анализируя при этом сотни или тысячи реакций одновременно. Первые попытки создания чипов были предприняты при разработке сенсорных технологий, например, переносных pH-электродов. В дальнейшем, с развитием знаний о структуре ДНК, методов секвенирования (определения нуклеотидной последовательности ДНК в исследуемой пробе) и ПЦР (размножение интересующего исследователя участка гена так, чтобы его можно было увидеть визуально при помощи каких-либо методов), стало возможным создание биологических чипов, в которых роль сенсоров играют молекулы ДНК. Начало разработки различных платформ биочипов началось в 90-ые годы прошлого века. Один из первых коммерческих чипов создала компания Affimetrix — GeneChip. Он содержал несколько тысяч SNP(англ. Single nucleotide polymorphism, SNP — однонуклеотидный полиморфизм — отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид (A, T, G или C) в геноме), в частности, таких генов как p53, BRCA1 и BRCA2. Этот чип был произведен с помощью технологии микролитографии.
Муковисцидоз
Тяжелое наследственное заболевание, которое проявляется уже в раннем детстве, зачастую сразу же после рождения. Муковисцидоз поражает практически все органы и системы организма, в первую очередь дыхательную и пищеварительную системы. При этом очень высока смертность в раннем возрасте от этого заболевания, но если его вовремя обнаружить, то при помощи поддерживающей терапии больные могут вести сравнительно нормальный образ жизни. Обнаружив при помощи того или иного диагностического метода мутации в конкретном гене, а этот ген иногда так и называется — «ген муковисцидоза» — можно с уверенностью сказать, что у человека разовьется эта патология. К тому же, муковисцидоз — самое частое из наследственных моногенных заболеваний (моногенное заболевание — заболевание, обусловленное мутацией в одном гене), в России один на десять тысяч новорожденных появляется на свет с этой патологией. В ряде стран это заболевание встречается еще чаще: один на тысячу новорожденных имеет муковисцидоз. При этом, по статистике, каждый двадцатый житель европейских стран является носителем гена муковисцидоза.

Автор:

  • Анна Соснора

Источник:

  • Пресс-служба группы компаний Алкор Био

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий