Нанотехнологии

Как быстро и точно выявить опасный недуг?

Стремительно развивающаяся область нанобиотехнологий позволяет создавать методики для точной и быстрой диагностики заболеваний. Ученые из Института биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича РАМН (Москва) уже более десяти лет проводят фундаментальные и прикладные исследования в этом направлении.

Ими предложены высокочувствительные и быстродействующие системы для раннего выявления инфекционных, онкологических и других опасных недугов. Об особенностях технологических новинок корреспонденту электронного издания "Наука и технологии в России" (STRF) рассказали директор Института, руководитель работ академик РАМН Александр Арчаков и заведующий лабораторией нанобиотехнологии Юрий Иванов.

Одна из оригинальных идей основана на регистрации звуков молекул. Дело в том, что сами по себе они не статичны, отдельные их части (домены) колеблются, производя некий шум, параметры которого зависят от взаимодействия одной молекулы с другими. Собственно анализ этих звуков и позволяет оценивать их поведение и состояние всего организма. На данном природном эффекте в Институте решили создать принципиально новую диагностическую систему, используя в качестве биочипов* обычные компакт-диски.

Диагностический CD, как уточнил Иванов, содержит не только программное обеспечение, предназначенное для распознавания "болезненных" звуковых сигналов - сама его поверхность является рабочей. На ней предполагают разместить от 10 до 100 зондов, улавливающих молекулы-маркеры тех или иных инфекционных и соматических заболеваний (ученые пока ориентируются на основные социально значимые, в частности гепатит В и С). На компакт-диск достаточно нанести обработанную специальным образом каплю крови, слюны или другой биологической жидкости, вставить его в компьютер и... за пару минут получить диагноз. Принцип функционирования этой системы основан на взаимодействии зондов с маркерами заболеваний и образовании в результате различных молекулярных комплексов: чем их больше, тем сильнее звучание. В организме здорового человека таких молекул-маркеров нет, соответственно зондам улавливать нечего, о чем свидетельствует успокоительная тишина. Важно то, что эту разработку можно применять в лабораториях, не оснащенных специальным оборудованием, а для некоторых тестов - даже в домашних условиях. Так что в случае ее широкого внедрения ассортимент аптек пополнит необычный вид продукции - комплект программного обеспечения для самодиагностики.

Отметим: пока нет соответствующих технологий, способных на ранних стадиях диагностировать онкологические, инфекционные и другие опасные виды заболеваний. Чувствительность современных методов их диагностики - не более 10 - 12 моль/л, что позволяет обнаруживать лишь до 1000 типов белков или маркеров болезней. При этом подавляющее количество этих соединений находится в плазме крови в концентрациях гораздо более низких - вплоть до нескольких молекул (существует зависимость: с понижением концентрации возрастает число типов).

Для регистрации белков на таком уровне в Институте решили использовать молекулярные детекторы на основе атомно-силовых микроскопов - они способны измерять не концентрации, а подсчитывать единичные молекулы. Но без применения нанобиотехнологии сделать это не удавалось. "Измеряя концентрации, мы имеем дело одновременно с сотнями триллионов молекул, - пояснил Арчаков. - А если они появились в ходе патологического процесса, например рака, то заболевание удается определить лишь на поздних стадиях. При регистрации же единичных молекул открывается путь к ранней диагностике".

Эту задачу в лаборатории нанобиотехнологии Института решали в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований и федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 гг." на примере двух заболеваний - гепатита В и С. Действенность предложенного метода доказана экспериментально. Однако до идеала - 10"'" моль/л - еще далеко. Чтобы достичь его, ученые осваивают новые зонды, эффективно "вылавливающие" белки, совершенствуют технологии выявления маркеров и их регистрации. Причем высокочувствительные диагностические комплексы на основе атомно-силовых микроскопов они разработали вместе с известной российской компанией NT-MDT (Зеленоград)* - одним из крупных мировых производителей сканирующей зондовой микроскопии. Сейчас новые приборы проходят сертификацию.

В Институте заняты и другими системами быстрой и точной диагностики. Так, в кооперации с Институтом физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) здесь предложили установку, элементами которой являются два нанопровода, каждый толщиной порядка десятков нанометров (размер вируса). На одном из них иммобилизуются антитела, скажем, к вирусу гриппа. Когда на него попадают единичные патогенные микроорганизмы, свойства провода (главным образом проводимость) меняются. В результате вирусные частицы можно выявить буквально за минуту.

Другое направление быстрой диагностики основано на оптических биосенсорах, позволяющих регистрировать при помощи резонансных структур нанометрового размера маркеры гепатита В и С в реальном времени. Каждое из устройств представляет собой призму, сопряженную с волноводом. В кювету помещают кровь пациента, а лазерный луч направляют так, что часть излучения проходит по волноводу под определенным резонансным углом, зависящим от коэффициента преломления. При образовании комплексов антител с маркерами он увеличивается, соответственно, поворачивается и луч лазера. Детектор регистрирует изменение угла во времени и тем самым сигнализирует о присутствии в крови соответствующих белков. С помощью такого биосенсора вирус гепатита С определяют за 5 - 10 мин (традиционные методы дают результат за 8 ч). Причем его можно использовать для 100 - 150 анализов.

Преимущества этих технологий очевидны. Прежде всего они выявляют маркеры заболеваний на ранних стадиях. Кроме того, можно обнаружить большее количество единичных молекул, которые появляются в организме при заболевании. Это существенно повышает надежность и скорость диагностики.

В создании подобных систем сотрудники Института занимают лидирующие позиции, и не только в нашей стране. Многие разработки, в частности биочипы и биосенсоры, не имеющие аналогов в мире, готовы к внедрению в клиническую практику. Правда, по самым оптимистичным прогнозам, сделать это удастся лишь лет через пять. "Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки у нас есть, - признал Александр Арчаков, - а внедрить их сложно. На помощь ученому должна прийти мощная фирма и организовать рынок. Такова общемировая практика. И мы должны к ней стремиться".

* См.: А. Мирзабеков. Биологические микрочипы. - Наука в России, 2003, N 2.


Муравьева М., Марина ХАЛИЗЕВА

Скачать макет figma работа webcam.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD