Поиск - новости науки и техники

Паспорт для молекулы. Анализ одиночных белков крови – основа медицинской диагностики в ближайшее десятилетие.

Беседу о технологии будущего – микрочипах для медицинских анализов – заведующий лабораторией Федерального медико-биологического агентства кандидат физико-математических наук Дмитрий КЛИНОВ начал с высказывания Фридриха Энгельса: “Жизнь есть способ существования белковых тел”. Но если классик марксизма делал упор на исследование белковых молекул всех скопом, как в основном и принято в науке, изучающей окружающую среду, то Дмитрий Владимирович сконцентрировал внимание на отдельных молекулах крови.
– Так сложилось, что одно из главных направлений нашей лаборатории биомедицинских нанотехнологий, – начал рассказ Дмитрий Клинов, – исследование и визуализация одиночных молекул. Насколько это важно, оценил Российский научный фонд (РНФ), поддержав заявку лаборатории и предоставив нам грант Президентской программы исследовательских проектов на четыре года (1775-30064). Суть работы вот в чем. Организм человека представляет собой некую “фабрику”, в которой отдельные белки выполняют определенные функции. Подобно нанороботам они помогают осуществлять различные реакции обмена или, скажем, синтезировать какие-либо вещества. Однако при проведении анализа выяснилось, что структуры молекул в значительной степени меняются в зависимости от поверхности, на которую их помещают. Это удалось установить, используя возможности сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) высокого разрешения: он дает четкое изображение и точные характеристики. Кстати, наша лаборатория разработала сверхострый зонд для СЗМ, аналогов которому в мире нет, с радиусом острия всего один нанометр. Так мы обнаружили, что все, с чем молекулы крови взаимодействуют, влияет на их структуру. Опасно ли это, к примеру, при хранении крови? Сказывается ли на ее “отношениях” с имплантатами – различными чипами, стентами, раздвигающими стенки сосудов, чтобы лучше циркулировала кровь? Чрезвычайно важно было понять, как при этом ведут себя молекулы. 
Наши эксперименты доказали, что на гидрофобных поверхностях, таких, например, как графит и графен, структура белковых молекул нарушается, они денатурируют, теряя свою функциональность. Но если поверхность определенным образом модифицировать – скажем, уменьшить ее гидрофобность, молекулы сохранят свою структуру и, следовательно, активность, что значимо для функционирования диагностического биочипа. Открываются возможности так модифицировать функциональные поверхности, чтобы они как можно меньше влияли на белки, не разрушали их и тем самым не сказывались негативно на точности анализа, проводимого в биочипе.
Эти глубокие исследования имеют огромное значение, поскольку медикам необходимо ясно представлять, что происходит на “пограничных территориях”, где живые ткани и кровь соприкасаются с искусственными. Нужно понимать, сумеют ли “прижиться” всевозможные устройства, насколько они будут безопасны и эффективны.
– На эти фундаментальные исследования фонд и выделил вам грант?
– Да, РНФ учел важность нашего проекта и удостоил гранта, поскольку такой серьезный и длительный поиск нереально вести без соответствующего финансирования. Сотрудникам надо платить достойную их квалификации зарплату, для исследований – применять дорогостоящие расходные материалы, химические реактивы – все то, без чего работать невозможно. Современная фундаментальная наука, как известно, стоит дорого, неудивительно, что позволяют себе ею заниматься в основном развитые страны. У РНФ в отличие от других фондов, выделяющих гранты, есть преимущество: он тратит меньше сил на формальную сторону дела, зато концентрируется на сути вопроса, не требует множества бумаг, ибо менее иных забюрократизирован. Все внимание фонд сосредотачивает на “добыче” фундаментального знания, но наш грант предусматривает и привлечение дополнительных средств софинансирования, а как следствие,  значительную прикладную составляющую: мы обязались разработать диагностическую систему – специальный микрофлюидный чип – размером с монетку. Если приглядеться, то внутри него можно увидеть мельчайшие каналы, по которым циркулирует жидкость. Диаметр человеческого волоса – около 300 микрометров, а каналы в нашем чипе – размером не более 50 микрометров. Будь у медиков такие устройства, не нужно было бы брать десятки миллилитров крови из вены и проводить с ними различные биохимические реакции: для микрочипа достаточно одной капли крови, взятой из пальца. Специальный алгоритм позволяет, прокачивая кровь по каналам, отделять клетки крови от плазмы и анализировать ее с помощью иммуно-флуоресцентного исследования, которое выдает числовое значение концентраций всех искомых компонентов плазмы крови, скажем антигенов. Преимущества – огромные. В разы сокращаюся количество реагентов и время анализа: не долгие часы, как сейчас, а всего 15-20 минут. Суперсовременная технология позволяет полностью автоматизировать весь процесс и даже обходиться без лаборантов. Тем самым исключается человеческий фактор, сводятся к минимуму всевозможные риски, к тому же сам анализ будет стоить намного дешевле. 
Замечу, что, в принципе, мы не изменили классический подход иммунологического анализа крови, лишь благодаря гранту РНФ за счет миниатюризации постарались сделать его более эффективным. Мы планируем разработать методику, основанную на анализе одиночных молекул. Скорость получения данных и их обработка должны стать намного выше. Но для этого необходимо провести доскональную диагностику одиночных биомолекул, определив их свойства. Мы планируем решать эту задачу так: “просеивать” молекулы белков через нанопоры, как сквозь сито, и на каждую составлять своего рода “паспорт” – с точным указанием параметров “транспорта”, чтобы затем их удобно было квалифицировать. Допустим, у нас есть антитела. Организм вырабатывает их в ответ на появление или даже вторжение чего-то чужеродного, например инфекции. Происходит взаимодействие, в результате образуется специфический комплекс, который существенно больше исходной молекулы, и он с трудом протискивается сквозь нанопоры (ячейки нашего сита). Значит, делаем вывод: произошла биохимическая реакция внутри чипа. 
В будущем надеемся, что медикам вообще не придется брать кровь у пациентов. Обследуемым достаточно будет сделать лишь выдох или, скажем, “уронить слезу” – и этого хватит, чтобы провести полноценный анализ. Благодаря гранту РНФ мы успешно продвигаем наш метод, который в недалеком будущем станет неинвазивным, не требующим вторжения в организм. 
В мире подобных устройств нет. Сужу об этом по публикациям в иностранных журналах. Хотя исследования в этой перспективной области, безусловно, ведутся и лабораторные образцы установок, скорее всего, есть, однако на медицинском рынке ничего подобного пока не наблюдается. А наш прототип уже можно брать за основу серийного образца. 
– Раз вы впереди планеты всей, значит, и проблем с публикациями у вас нет?
– За четыре года – срок действия гранта – в крупных цитируемых изданиях мы обязались опубликовать не менее 40 статей. Конечно, и раньше, в “догрантовую эпоху”, мы писали статьи, но относились к этому, я бы сказал, легко. Понятно, что должен быть материальный результат, то есть напечатанная статья. Как иначе подтвердить свой приоритет? Публикаций у нас выходило достаточно, что также сослужило нам службу, когда РНФ рассматривал нашу заявку: в целом ряде работ мы доказали зависимость структуры одиночных белковых молекул от природы поверхности, на которую они адсорбированы. За четыре первых месяца работы по гранту наш коллектив представил в журналы, в том числе с высоким импакт-фактором, шесть статей. 
– Конечно, трудно в начале 2018 года пытаться заглянуть в 2020-й, когда закончится срок действия гранта. И все же какие изменения произойдут в медицине? 
– Естественно, мы будем продолжать исследования, публиковать статьи, существенно, надеюсь, продвинемся в анализе одиночных молекул, а значит, и в создании технологии нового поколения – автоматизированных микрочипов на одиночных молекулах, своего рода микролабораторий. Рассчитываю, что тогда начнется их внедрение в медицинскую практику и у нас появятся первые данные для анализа. Мы много говорим о необходимости перехода к персонализированной медицине, а не о том, как добиться этого на практике. Наши разработки в области микрофлюидных чипов доказывают, что это возможно. Больные хроническими заболеваниями, нуждающиеся в постоянном наблюдении, смогут контролировать свое состояние самостоятельно. В аптеке они купят наш чип по вполне – подчеркнем это – доступной цене, а также простое устройство, считывающее его показатели, и сами сделают себе анализ крови. Через беспроводную сеть устройство передаст данные на компьютер лечащего врача, и он буквально ежедневно сможет контролировать состояние пациента и оперативно принимать решения по лечению. Уверен, все так и будет. 
Юрий ДРИЗЕ
Фотоснимки предоставлены Д.Клиновым 

Нет комментариев