Новосибирские ученые разработали чипы, различающие любые вирусы гриппа

Привычная сцена фантастического сюжета: рука-манипулятор медицинского робота берет на анализ биологический образец. Минутное мигание цветных огоньков под журчание таинственной жидкости, и вот он — полный список прошлых, настоящих и будущих болезней до седьмого колена! Сегодняшним потребителям медицинских услуг, также как и практикующим врачам, подобные технологии кажутся утопией, притом что быстрый и объективный диагноз не роскошь, а жизненная необходимость. Однако, к примеру, диагноз «онкозаболевание» сегодня ставится только в результате совместной экспертизы разных специалистов-практиков, и тут в действие вступает пресловутый «человеческий фактор». По «совокупности клинических проявлений» обычно диагностируется и грипп. Традиционные специфические тесты определения вируса могут занимать до семи и даже двадцати дней, а продвинутая ПЦР-диагностика целесообразна лишь в случае известного эпидемического штамма. Существует ли в наши дни альтернатива клинической лаборатории с большим штатом и «наметанному глазу»? Да. Это так называемые биологические микрочипы — миниатюрные приборы, предназначенные для одновременной регистрации множества взаимодействий между различными молекулами. Назвали их так не случайно: по размерам, степени интеграции функциональных элементов, да и по внешнему виду чипы схожи с обычными электронными микросхемами. В основе биочиповой технологии лежит простое и гениальное изобретение природы — комплементарность молекул, их способность связываться по принципу «замок—ключ». На основе комплементарности происходит спаривание двух нитей ДНК, соединение белка-фермента с субстратом и другие важнейшие клеточные процессы. Сам биочип представляет собой небольшую, с ноготь большого пальца, пластинку–платформу из стекла, пластика или кремния. На пластинке, как на подложке детской мозаики, в строгом порядке закреплено множество разнообразных молекул-зондов, исполняющих роль «наживки». При проведении анализа к чипу добавляется специально подготовленный клинический образец, взятый у пациента. Молекулы-зонды будут взаимодействовать только с определенными участками молекул-мишеней из образца, и чем больше будет таких комплементарных участков, тем прочнее будет связывание. Чтобы узнать, где произошло связывание, образец обычно заранее метится флуоресцентной меткой, которая при взаимодействии молекул освобождается. Остается только просканировать чип лазером и получить картинку интенсивности свечения на его поверхности. Обработав полученные данные с помощью довольно сложного математического аппарата, мы можем точно установить, сколько и каких молекул-мишеней находилось в образце. Какую информацию можно получить с помощью биочиповой технологии? Возьмем ДНК-чипы, где на подложке закреплены относительно короткие фрагменты ДНК. С их помощью одновременно отслеживают работу множества генов, создавая своеобразный молекулярный «портрет» клетки. Значительные отклонения показателей от нормы свидетельствуют о возможной патологии. Уже сегодня на этой основе определяют группу риска и дают прогноз развития многих раковых заболеваний. С помощью ДНК-чипов также можно отслеживать и предсказывать воздействие на организм человека лекарств, оценивать его реакцию на влияние разнообразных внешних факторов, а это уже прямой путь к пока несбыточной мечте — персонализированной медицине. И конечно, такие чипы прекрасно подходят для быстрой и точной идентификации видов и штаммов патогенных бактерий и вирусов. Возможности чип-технологий потрясают воображение, однако практическое применение в медицине и биологии пока нашли лишь ДНК-чипы для отслеживания работы различных генов человека. Вообще, сама история чип-технологий началась не так давно — четверть века назад, когда была принята программа исследования генома человека, а первое массовое производство ДНК-чипов было начато американской фирмой Affymetrix только в конце прошлого века. Сегодня среди лидеров этого стремительно развивающегося направления молекулярной биотехнологии — США и Китай. В России разработкой ДНК чип-технологий занимаются в московском Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН и у нас в Академгородке — в Институте фундаментальной медицины и химической биологии СО РАН. Первый новосибирский биочип появился на свет на деньги … американских налогоплательщиков. Группа кандидата химических наук Александра Синякова заинтересовалась новым перспективным направлением в начале 1990-х годов, еще будучи в составе всем известного «Вектора». Нет нужды напоминать, каким было то время для отечественной науки и страны в целом: не хватало нужного оборудования, реактивов, не говоря уже о более чем скромной зарплате научных работников. Решить эти проблемы ученым помог весомый грант военного ведомства США. Совместно с американцами был разработан микрочиповый метод обнаружения опасных для человека ортопоксвирусов, к которым принадлежит и печально известный вирус натуральной оспы. Чем был вызван интерес американских военных к болезни, которая была полностью искоренена еще в 70-е годы прошлого века? Вирус натуральной оспы и его ближние родственники могут стать эффективным биологическим оружием, настоящей находкой для террористов, поскольку большая часть населения планеты не имеет соответствующего иммунитета. Добавим, что заболевание оспой внешне очень схоже с заболеванием герпесом, однако сибирский чип с легкостью их различает. Сибиряки успешно справились с новой непростой задачей. Следующий крупный прорыв — разработка микрочипа для типирования вируса гриппа типа А — был также выполнен при финансовой поддержке США, на это раз мирного Министерства здравоохранения. Побудительной причиной для инвестиций стал не страх перед биотерроризмом, а гриппофобия, охватившая мир после вспышек птичьего гриппа. Цели, стоявшие перед исследователями, были также глобальны: биочип нужно было научить определять любую разновидность вируса, выделенную от любых носителей — птиц, коров, свиней, человека. Созданный в ИХБФМ микрочип универсален: способный различить 14 подтипов гемагглютинина и 9 подтипов нейраминидазы — главных поверхностных белков вируса, он может типировать любой штамм вируса гриппа, от обычного сезонного H1N1 до высокопатогенного птичьего H5N1. Столь мощного диагноста целесообразно использовать для мониторинга эпидемиологической обстановки и поиска штамма для производства вакцины, не говоря уже о научно-исследовательской работе. После столь впечатляющих успехов можно было ожидать, что к исследователям выстроится очередь желающих участвовать в перспективных инвестиционных проектах. Однако пока сибирскими разработками заинтересовался лишь один частный инвестор с Украины. Созданный по «спецзаказу» чип умеет определять в продуктах наличие генно-модифицированных компонентов, причем для визуализации информации в нем используется не флуоресценция, а процесс, аналогичный получению негатива в фотографии. Нужно сказать, что коллектив лаборатории медицинской химии ИХБФМ сегодня больше рассчитывает на свои силы, чем на забугорную помощь или другую «манну небесную». Созданные здесь ранее диагностические чипы являются скорее стратегическим оружием, мало востребованным в обычной клинической практике, что нельзя сказать о новой разработке, которой ученые занимаются самостоятельно совместно с Центром новых медицинских технологий ИХБФМ. Речь идет половых инфекциях. Новый чип сможет не только быстро и точно определять возбудителя болезни, но и предсказывать его устойчивость к антибиотикам. Успешно развивается и технология производства: с помощью устройства, созданного в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, планируется объединить в одну технологическую линию синтезатор генов, производящий молекулы-зонды, и автоматическую установку по «печатанию» чипов на стеклянных пластинках. При этом все эти технологические чудеса вполне умещаются на обычном лабораторном столе.