«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
О чём «поют» молекулы? 17.06.2008

О чём «поют» молекулы?

Нанобиотехнологии способны кардинально изменить медицину, сделав её адресной — направленной на диагностику и лечение заболеваний отдельно взятого пациента, обнаружение проявлений патологического состояния и терапевтическое вмешательство на самых ранних этапах. Многие отечественные разработки в области «нанобио» зачастую не только не уступают зарубежным аналогам, но и в чём-то их превосходят. К таким, например, относятся технологии, созданные учёными из лаборатории нанобиотехнологии Института биомедицинской химии РАМН. Одна из их разработок основана на регистрации звуков молекул.

Стремительно развивающаяся область нанобиотехнологий позволяет создавать методики для точной и быстрой диагностики заболеваний, прежде всего, социально значимых. Учёные из Института биомедицинской химии (ИБМХ) им. В.Н. Ореховича РАМН под руководством академика Александра Арчакова уже более десяти лет проводят фундаментальные и прикладные исследования в этом направлении. Некоторые прототипы приборов уже готовы к внедрению в клиническую практику.

CD из аптеки
Вы когда-нибудь слышали, как звучат молекулы? Сотрудники Института биомедицинской химии научились регистрировать их звуки. Корреспонденту STRF посчастливилось ознакомиться с оригинальной разработкой, предназначенной для диагностики. Заведующий лабораторией нанобиотехнологии Юрий Иванов вставляет в компьютер компакт-диск, начинает играть музыка «По-моему, прослеживаются мотивы Шнитке, — говорит учёный. — А здесь явно угадывается Верди».

«Музыка» молекул — это не праздное развлечение. Она характеризует то или иное заболевание. Дело в том, что молекулы сами по себе не статичны, отдельные их части (домены) колеблются, производя некий шум. Параметры его зависят от взаимодействия одной молекулы с другими. Собственно, анализ этих звуков и даёт возможность оценивать поведение молекул и состояние всего организма. На этом природном эффекте учёные ИБМХ решили создать принципиально новую диагностическую систему, используя в качестве биочипов обычные компакт-диски.

Диагностический CD содержит не только программное обеспечение, предназначенное для распознавания «болезненных» звуковых сигналов, но и его поверхность является рабочей. На ней предполагается разместить от 10 до 100 зондов, улавливающих молекулы-маркёры тех или иных инфекционных и соматических заболеваний (учёные пока ориентируются на основные социально значимые болезни, в частности, гепатит С, от которого нет вакцины). На компакт-диск достаточно будет нанести обработанную специальным образом каплю крови, слюны или другой биологической жидкости, вставить диск в компьютер и… за пару минут узнать свой диагноз. Принцип действия диагностической системы основан на взаимодействии зондов с маркёрами заболеваний, в результате которого образуются различные молекулярные комплексы. Чем больше таких комплексов, тем сильнее звучание. В организме здорового человека молекул-маркёров заболеваний нет, соответственно, зондам улавливать нечего, и в данном случае «сигналом здоровья» станет успокоительная тишина. 

Новую разработку Института биомедицинской химии можно будет применять в лабораториях, не оснащённых специальным оборудованием, а для некоторых тестов — даже в домашних условиях. Так что в случае широкого внедрения этой технологии ассортимент аптек пополнится необычным для них видом продукции — комплектом ПО для самодиагностики.

Детекторы единичных вирусов
На сегодняшний день не существует технологий, способных на ранних стадиях диагностировать онкологические, инфекционные и другие виды заболеваний. Традиционные методы обладают чувствительностью не более 10 в минус двенадцатой степени моль на литр, что позволяет обнаруживать лишь до 1 000 типов белков, или маркёров болезней. При этом подавляющее количество типов функциональных белков находятся в плазме крови в концентрациях гораздо более низких — вплоть до нескольких молекул (существует зависимость: с понижением концентрации белков возрастает количество их типов).

Для регистрации белков на таком уровне учёные ИБМХ предлагают использовать молекулярные детекторы на основе атомно-силовых микроскопов, способные измерять не концентрации белков (традиционная схема), а подсчитывать единичные молекулы. Без применения нанобиотехнологий сделать это не удавалось.

«Измеряя концентрации, мы имеем дело одновременно с сотнями триллионов молекул. А если они появились в ходе патологического процесса, например, рака, то заболевание удаётся определить лишь на поздних стадиях, — говорит директор ИБМХ академик Александр Арчаков. — При регистрации единичных молекул открывается путь к ранней диагностике. Анализ свойств единичных молекул даёт больше информации, чем при измерении их огромного усреднённого числа. Так что нужно стремиться к регистрации не ансамбля молекул, а их единиц. Именно за этими методами будущее».

Разрабатывая методы единичного подсчёта молекул, учёные лаборатории нанобиотехнологии ИБМХ стремятся повысить чувствительность диагностических систем (такую задачу они выполняли в рамках проектов РФФИ и ФЦНТП). Достигнутый на текущий момент результат составляет 10 в минус шестнадцатой степени моль на литр. Исследования проводились на примере двух заболеваний — гепатита B и С. Действенность созданных систем была доказана экспериментально. Но до идеала — 10 в минус двадцатой степени ещё далеко. Работы в этом направлении продолжаются, в частности, осваиваются новые зонды, более эффективно вылавливающие белки, совершенствуются технологии выявления маркёров и их регистрации. 

Важно отметить, что высокочувствительные диагностические комплексы на основе атомно-силовых микроскопов сотрудники ИБМХ разработали совместно с известной российской компанией NT-MDT. Сейчас приборы проходят процедуру сертификации.

Поймать вирус за минуту
В ИБМХ разрабатывают и другие системы быстрой и точной диагностики, в том числе на основе оптических биосенсоров, а также нанопроводов.

Совместно с Институтом физики полупроводников СО РАН создана установка, элементами которой являются два нанопровода, каждый толщиной порядка десятков нанометров (размер вируса). На одном из них иммобилизуются антитела, например, к вирусу гриппа. Когда на него попадают единичные патогенные микроорганизмы, свойства провода сразу же меняются (главным образом его проводимость). В результате вирусные частицы можно выявить буквально за минуту.

Ещё одно направление — разработки на основе оптических биосенсоров. Этот метод позволяет регистрировать маркёры гепатита В и С в реальном времени при помощи резонансных структур нанометрового размера. Оптический биосенсор представляет собой призму, сопряжённую с волноводом. В кювету помещается кровь пациента, лазерный луч пускается под углом больше внутреннего полного отражения. Часть отражается, но часть излучения проходит по волноводу при определённом резонансном угле, который зависит от коэффициента преломления. При образовании комплексов антител с маркёрами увеличивается коэффициент преломления, соответственно, луч лазера поворачивается на определённый угол. Детектор регистрирует изменение угла во времени и тем самым сигнализирует о присутствии в крови маркёрных белков. Благодаря созданным специалистами лаборатории нанобиотехнологии ИБМХ биосенсорам вирус гепатита С определяется за 5—10 минут (при помощи традиционных методов — за 8 часов). Один биосенсор можно использовать для 100—150 анализов.

«Преимущества наших технологий очевидны, — убеждён Юрий Иванов. — Прежде всего, они позволяют выявлять маркёры заболеваний на ранних стадиях. Во-вторых, можно обнаружить больше типов маркёров — молекул, которые появляются в организме при заболевании. Это существенно повышает надёжность всей диагностической системы: есть разница — по одному маркёру ставить диагноз или сразу по целому спектру. Наконец, ускоряется процесс диагностирования, что тоже немаловажно». 

Синхронизировать часы учёных и коммерсантов
О высоком уровне разработок сотрудников лаборатории нанобиотехнологии ИБМХ свидетельствуют многочисленные публикации в рейтинговых зарубежных журналах — Analytical Biosystems, Proteomics и других. Причём статьи в иностранных изданиях датированы, начиная с 1996 года, — уже тогда у российских нанобиотехнологов были заметные результаты. В эти же годы институт стал приобретать необходимое для проведения передовых исследований в этой области оборудование: атомно-силовые микроскопы, роботы-манипуляторы, масс-спектрометры (в Россию тогда поступали лишь единичные экземпляры подобной техники); и в настоящее время по уровню технической оснащённости ИБМХ не уступает ведущим зарубежным университетам. Одно время в институте были большие трудности с кадрами. Сейчас ситуация улучшилась, появилось финансирование, стали приходить выпускники из ведущих вузов страны — МГУ, МИФИ, МФТИ.

Весьма показательно и то, что ИБМХ имеет широкий круг партнёров. Среди иностранных организаций тесное сотрудничество налажено с немецкими и французскими учёными. С французским Национальным институтом здравоохранения и медицинских исследований (INSERM) осуществляется совместный проект по увеличению чувствительности ряда диагностических систем. С немецкими коллегами из Экспертного центра молекулярной медицины Университета Саарланда ведутся исследования ферментативных систем. В числе российских партнёров — Институт физики полупроводников СО РАН, Объединённый институт высоких температур РАН, Московский госуниверситет им. М.В. Ломоносова, Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, компания NT-MDT и другие.

Сотрудники Института биомедицинской химии РАМН занимают лидирующие позиции по разработкам диагностических систем и уже настроены на внедрение многих из них в клиническую практику, в частности, биочипов и биосенсоров, которые не имеют аналогов в мире. По самым оптимистичным прогнозам, прототипы приборов удастся внедрить лет через пять. Правда, директор ИБМХ академик Александр Арчаков опасается, что все разработки института останутся на уровне лабораторных прототипов: «НИОКР у нас есть, а внедрить их — практически нереально. Для России это огромная проблема, причём в любой области. Учёному нужно закончить опытно-конструкторские разработки, а дальше должна прийти мощная фирма и организовать рынок. Такова общемировая практика».


Исходная статья: STRF.ru
Авторы:  Марина Муравьёва