Биочипы и область их применения

 

По этой ссылке вы сможете научиться оформлять рефераты на отлично:

 

Реферат: примеры и образцы оформления

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Карл Линей,Шведксий врач и натуралист

Атомистическое учение Демокрита

Приватизация госсобственности в России: результаты, особенности и проблемы

Систематизация угроз информационно-психологической безопасности

 

Введение:

Открытие функциональной значимости тысяч генов и молекулярных механизмов действия многих ферментов продолжает оказывать значительное влияние на развитие медицины в XXI веке, когда ученые и врачи в области биологии имеют уникальную возможность выяснить причины многих инфекционных и наследственных заболеваний, а также разработать эффективные методы лечения. В свою очередь, разработка новых методов диагностики предполагает одновременное изучение различных заболеваний, функционально важных биологических макромолекул и различных белковых и ДНК-маркеров их комплексов, которые, подобно электронным микрочипам, могут извлекать и обрабатывать огромное количество информации из одного, небольшого количества биологического материала, полученного от конкретного пациента.

За последние несколько десятилетий накоплен огромный объем знаний о молекулярной основе биохимических процессов в живых организмах. Это позволяет не только точно диагностировать конкретное заболевание, но и оценить вероятность его возникновения до того, как у пациента проявятся клинические симптомы, и подобрать эффективные методы лечения, большая часть этой информации получается с помощью лабораторной диагностики, которая ежегодно обходится в мире более чем в 100 миллиардов долларов. В России в 1970 году было проведено 81 биохимическое / молекулярное исследование, в 2000 году-70, а сегодня количество тестов измеряется тысячами!

Большинство важнейших современных методов молекулярной диагностики основаны на анализе данных, полученных при изучении структуры генома человека и микроорганизмов. Прежде всего, речь идет о полимеразной цепной реакции (ПЦР). Обычно ДНК содержится в образце в минимальном количестве, но с помощью ПЦР определенные фрагменты этих макромолекул "мишени" миллионы раз в тестовых образцах биоматериалов могут быть генетическими маркерами бактерий или вирусных генов, рака и т. д. Используя этот метод, можно определить, например, наличие возбудителя, даже если в образце присутствуют несколько молекул его ДНК.

 

Однако в отношении одновременного анализа нескольких десятков или сотен различных биомаркеров возможности ПЦР-методов ограничены. И здесь на первый план выходит технология уже успешных биологических микрочипов. Преимущество данной методики заключается в том, что тест проводится в виде "один образец биочипа-один реакционный объем". Такой формат значительно повышает чувствительность анализа, снижает его сложность и стоимость, позволяет клинико-диагностической лаборатории тестировать десятки и даже сотни образцов за одну операцию.

Сегодня ведущий научный журнал публикует обзоры о биологических микрочипах, которые регулярно выпускаются многими десятками компаний, а идея создания биочипов родилась четверть века назад, и одним из мест рождения этой технологии является Институт науки и техники Российской академии наук.

С самого начала подход российских исследователей заключался в выборе основных технических решений, поскольку технология биочипов ИМБ РАН остается конкурентоспособной в мировой науке, и многие из этих подходов (например, использование флуоресцентных знаков, использование гидрогеля и глобулярных элементов) были задействованы в разработке биочипов в международном ИМБ с 2000 года. при поддержке научно-технического центра были начаты работы по созданию биочипов для медицинской диагностики возбудителей социально значимых заболеваний.

В 2011 году Ассоциация фтизиатров России"Центральный институт здоровья и информатизации", согласно расчетам, проведенным федеральным государственным агентством по развитию молекулярно-генетических технологий производства биологических микрочипов и созданию тест-систем для диагностики туберкулеза на его основе...Экономия бюджетных средств при проведении технологии биочипов для диагностики туберкулеза и определения лекарственной чувствительности возбудителя составляет не менее 70 рублей на каждый вложенный рубль"(на русском языке).

 

Действие с биочипом

Основным элементом биочипа является строго определенная биологическая молекула или так называемый молекулярный зонд, представляющий собой молекулу, способную специфически связываться со своими фрагментами, зонд может функционировать как олигонуклеотиды, геномные участки ДНК,РНК, антитела, олигосахариды, различные низкомолекулярные соединения и др. Каждая клетка биочипа действует как своего рода отдельный "нанозонд", в котором иммобилизованный зонд распознает только свою мишень в анализируемом образце. Это позволяет параллельно распознавать сразу несколько мишеней, например гены, ответственные за лекарственную устойчивость возбудителя.

 

Основное отличие разработанной в ИМБ РАН методики матричных биочипов заключается в том, что зонд помещается не на плоскую подложку, а на трехмерный объем вместо плоского гидрогелевого молекулярного зонда в полусферической форме, что обеспечивает многие важные преимущества. Это позволяет увеличить емкость биочипа в десятки и сотни раз на единицу поверхности и тем самым повысить чувствительность измерений. Кроме того, гель представляет собой гелеобразное вещество, насыщенное водой, что исключает возможность взаимодействия зонда друг с другом и с твердой поверхностью подложки, что позволяет использовать гель на биочипе.

Для регистрации результатов анализа используются флуоресцентные метки, которые вставляются в молекулу образца. Когда зонд специфически узнает и контактирует с целью, флуоресценция происходит в клетке. Интенсивность блеска клеток биочипа измеряется с помощью специальных аппаратно-программных комплексов-таких как микробные и генные мутации, маркеры рака и аллергены.

Уникальная технология создания такого гель-чипа, разработанная в ИМБ РАН, была запатентована и сертифицирована по европейским стандартам. Биочипы используются в российских клиниках, которые занимают еще одну нишу диагностических исследований конформации ДНК, созданных по этой технологии. Коммерческая микроматрица, выпускаемая ведущими научно-производственными корпорациями Германии и США, в основном используется в исследовательских целях.

Россия-Пионер "биочипостроения"

Большая матрица, иммобилизованная на фильтре ДНК и белка, или большая матрица, иммобилизованная на холле таблетки, изучалась в течение длительного времени. Но идея создания микрочипа в современном виде появилась только в конце прошлого века. Первые исследования на ДНК-микрочипах и первые на белковых чипах были проведены академиком Московского Института молекулярной биологии А.D. опубликовано группой Мирзабекова, 1989;Аренков и др., 2000).

Эта новаторская идея была вдохновлена растущим интересом к проблеме расшифровки генома человека в попытке усовершенствовать новые методы секвенирования ДНК с использованием гибридизации-процесса, в котором две комплементарные одноцепочечные молекулы ДНК связываются с двухцепочечной молекулой ДНК.

Академик А. В лаборатории биологических микрочипов ИМБ РАН.Мирзабеков ("Наука из первых рук" № 4 (75), 2017) Отличный молекулярный биолог в лаборатории биологических микрочипов ИМБ РАН (Москва), академик А. Д. Мирзабеков)

В то время научное сообщество задавалось вопросом, должна ли эта задача решаться путем расширения масштабов существующего подхода или разработки новых, более эффективных подходов. Так, в 1977 году на основе ферментативного синтеза комплементарных последовательностей ДНК на матрице анализируемой одноцепочечной ДНК появился"метод Сангера", а его разработчики получили в 1980 году Нобелевскую премию. В своей нобелевской речи один из лауреатов, американский биохимик У." идея этого метода пришла только после второго визита", - отметил Гилберт. В своей лаборатории "Мирзабеков" (Гилберт, 1984).

В этот момент была опубликована первая статья ученых ИМБ: при секвенировании путем гибридизации"расшифровка" ДНК осуществлялась не отдельными буквами-нуклеотидами, а"словами"определенного размера, и необходимость создания тысяч микрочипов в таких словарях становилась очевидной., 1989).

Технология производства гелевых биочипов прошла несколько этапов развития. Была разработана технология первого поколения, еще очень громоздкая и неполная, запатентованная в ИМБ с 1989 по 1993 год, а затем спонсируемая институтом и Аргоннской национальной лабораторией (США), но из-за технических проблем компания начала выпускать биочипы, матрица которых была полностью покрыта поверхностями полиакриламидного геля.

В ИМБ РАН продолжали развиваться гелевые технологии биочипов. Современная, достаточно простая, универсальная, дешевая технология производит сотни и тысячи олигонуклеотидов, ДНК или белковых микрочипов в день в лабораторных условиях (2004).

 

Туберкулез и лекарственная устойчивость

Первой в мире тест-системой на основе биочипов, зарегистрированной для медицинского применения, стал набор "ТБ-Биочип-1", разработанный ИМБ в 2004 году. Он может быть использован для определения наличия геномных 47 мутаций у микобактерий туберкулеза, что приводит к резистентности к двум основным противотуберкулезным препаратам-рифампицину и изониазиду.

Приведен пример определения лекарственной чувствительности микобактерий туберкулеза к основному противотуберкулезному препарату с использованием биочипа. Слева-флуоресцентное изображение, показывающее восприимчивость к стандартному лечению;справа-яркость ДНК-мутации"ТБ" клеток, которая придает возбудителю устойчивость к рифампицину и изониазиду, указывает на наличие последовательности is6110, которая четко показывает, что анализируемая ДНК принадлежит возбудителю туберкулеза.

Почему внимание исследователей привлек именно туберкулез? Дело в том, что на протяжении многих десятилетий для борьбы с этим заболеванием применялась комбинированная терапия с некоторыми химиотерапевтическими препаратами для повышения его эффективности. При монотерапии пациент сразу же приобретал резистентность к препарату. Однако эта стратегия привела к тому, что в конце прошлого века туберкулез с множественной лекарственной устойчивостью стал распространяться повсеместно в мире, в том числе и в России. Именно этот фактор является причиной неудачного исхода лечения и возникновения рецидивов заболевания, от которых ежегодно в мире умирает более 3 миллионов человек.

Изониазид и рифампицин относятся к числу наиболее популярных и эффективных препаратов первой (основной) серии. И если выделенный от больного возбудитель оказывается резистентным к этим препаратам, то эта бактериальная популяция закрывает глаза на химиотерапевтические препараты второй линии (предварительные), которые становятся чувствительными сегодня, одним из наиболее перспективных препаратов для лечения таких форм туберкулеза является фторхинолон. Таким образом, следующей тест-системой из серии диагностических тестов ИМБ стала"ТБ-Биочип-2", которая может быть использована для выявления лекарственной устойчивости к различным классам этих препаратов (2009).

Повышенная Распространенность форм туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью стимулирует дальнейшую "эволюцию" тест-системы. Во-первых, необходимо было максимально охватить весь спектр генетически обусловленной резистентности к широкому спектру противотуберкулезных препаратов. Во-вторых, необходимо определить генотип, и поэтому это важно не только для эпидемиологического мониторинга структуры популяции возбудителей туберкулеза, но и для назначения соответствующего лечения

Так, в 2012-2013 годах в результате обширных геномных исследований была создана серия реагентов"ТБ-тест", не имеющих аналогов в мире (рифампицин, изониазид, Этан, 2016). Этот диагноз позволяет специально назначать высокие дозы химиотерапевтических препаратов и, наоборот, исключить определенные препараты из схемы лечения.

Для получения государственной регистрации в Росздравнадзоре тест-система прошла все виды испытаний и испытаний, а с 2014 года ее разрешили использовать в медицинской практике Российской Федерации, теперь "ТБ-тест "заменил комплект"ТБ-Биочип".

Тест-системой серии ТБ-Биочип и оборудованием для ее анализа оснащены 20 институтов противотуберкулезной службы Российской Федерации и 8 институтов бактериологии Федеральной службы исполнения наказаний, в отличие от диагностики больных лекарственно-устойчивым туберкулезом, увеличенной не менее чем в 3 раза при ранней диагностике по общепринятому методу, в отличие от этого, большую роль играет такой фактор, как время анализа: в первом случае для постановки диагноза достаточно нескольких часов, но используются различные противотуберкулезные препараты.

От гепатита А до рака и аллергии

Возбудитель этого вирусного заболевания, не отказываясь от самого себя, может длительное время расти в печени, и до недавнего времени первые признаки заболевания обнаруживались уже через несколько месяцев после заражения, гепатит С считается почти неизлечимым заболеванием, основным терапевтическим средством является комбинация интерферона и рибавирина, причем часто неэффективная.

Сегодня создаются новые противовирусные препараты, обладающие так называемым прямым противовирусным действием и блокирующие важную внутриклеточную стадию размножения патогена. Но сложность заключается в том,что вирус гепатита С имеет 7 типов генотипов, каждый из которых имеет несколько подтипов. Кроме того,разные генотипы/подтипы имеют разную восприимчивость к традиционным и новым лекарственным препаратам, и подбор противовирусной терапии осуществляется в соответствии с генотипическими характеристиками возбудителя.

В сотрудничестве с вирусной лабораторией Университетской больницы Тулузы (Франция) ИМБ РАН, основанной на анализе области NS5B вирусного генома, прошла клинические испытания в России и Франции тест-система HCV-Биочип, способная выявлять 6 генотипов и 36 подтипов вируса, в которых типизируется вирус гепатита С (2011).

• Тест-система HCV-Биочип ("Наука из первых рук" № 4 (75), 2017)
• Тест-система HCV-Биочип основана на анализе области ns5b вирусного генома и используется для выявления 6 генотипов и 36 подтипов вируса гепатита С.

Наиболее важной областью применения технологии hydrogelio chip является анализ мутаций и полиморфизмов в ДНК человека: ДНК-маркеры, связанные с возникновением различных неинфекционных заболеваний.

Среди онкологических заболеваний у детей основное место занимает лейкоз. Тест-система LC-биочипа, содержащая 13 наиболее клинически значимых хромосомных транслокаций (фрагменты некоторых хромосом, каждая из этих транслокаций) в образцах крови, характерных для нескольких типов острого и хронического лейкоза, имеет важное значение для определения собственной трансформации в развитии лейкоза и для выбора стратегии лечения. Эта тестовая система используется в Национальном научно-практическом центре детской гематологии, онкологии и иммунологии. Проанализирована выборка из 18 региональных гематологических центров Российской Федерации Дмитрия Рогачева (Москва) (Грядунов и др., 2011).

Для ранней диагностики рака молочной железы и яичников можно определить мутацию гена BRCA1/80, которая связана с высокой (до 2%) вероятностью генетической формы этих заболеваний.

В настоящее время в ИМБ РАН разработан вариант тест-системы на основе биочипа для определения чувствительности злокачественных клеток к противоопухолевой терапии. Например, поздняя стадия и Рем-мутация меланомы при использовании биочипа в индивидуальном подборе препаратов, эффективно действующих на молекулярные мишени опухолевых клеток меланомы, 2017).

Трехмерная структура гидрогеля, в которой молекулярный зонд закреплен на биочипе, сохраняет достаточно "чувствительную" нативную структуру белковой молекулы без каких-либо изменений, поэтому такие биочипы могут быть использованы для изучения белково-белкового взаимодействия, необходимого, например, для различных видов иммунохимического анализа.

 

ИМБ РАН удалось перевести этот классический анализ в форму микрочипа и адаптировать его к диагностике аллергических заболеваний. Совместно с немецкой биотехнологической компанией Dr Fouquet Laboratorien была разработана тест-система "аллерго-биочип", в которой сыворотка содержала набор природных и рекомбинантных аллергенов (2017).

Тест-система "аллерго-биочип"("Наука из первых рук" № 4 (75), 2017) Экстракт 60 наиболее часто встречающихся аллергенов в европейской части Российской Федерации был иммобилизован на клетках "аллерго-биочипа" в качестве молекулярного зонда. Во время анализа сыворотку наносят на биочип, инкубируют ее, в результате чего образуется специфический комплекс антител и аллергенов. Для визуализации биочип обрабатывают флуоресцентно меченным вторичным антителом, специфичным к человеческому антителу, регистрируют и вычисляют сигнал от каждой клетки, а также вычисляют концентрацию комплекса С IgE.

Анализ антител к более чем 30 аллергенам на биочипе требует очень небольшого объема анализа аллергена обычным методом иммуноанализа (60 это различие особенно важно в педиатрии. Лабораторная версия этой тест-системы уже доступна в Детской городской клинической больнице № 13 имени Филатова (Москва) и прошла доклинические исследования.

Примеры изображений флуоресцентных паттернов и соответствующих концентрационных профилей, полученных при анализе образцов сыворотки крови двух пациентов ("first-hand Science" № 4 (75), 2017) Примеры изображений флуоресцентных паттернов и соответствующих концентрационных профилей были получены из анализа образцов сыворотки крови двух пациентов

Двенадцать специализированных испытательных систем на основе гидрогелевой биочиповой технологии ИМБ РАН одобрены к использованию в качестве медицинского прибора для лабораторного использования в качестве диагностического инструмента. Эти тест-системы успешно применяются более чем в 50 научно-исследовательских и медицинских центрах Российской Федерации, стран СНГ, ЕС.

Заключение

Технология биочипов, разработанная в ИМБ РАН, защищена 42 национальными и международными патентами. Эти технологии продолжают интенсивно развиваться. Разрабатывается новый подход, позволяющий упростить и ускорить этот процесс, а также объединить все этапы анализа в единую процедуру-количественный анализ в реальном времени.

Ядро системы - гидрогелевый биочип-дополнительно изменяется в зависимости от цели диагностического теста, в то время как другие компоненты уже унифицированы. Такая "лаборатория на чипе" позволяет значительно повысить качество лабораторной диагностики, снизить вероятность инфицирования медицинских работников, в конечном итоге повысить их эффективность и снизить стоимость лечения.