Biochips - công nghệ cao trong chẩn đoán y khoa

Biochips – công nghệ cao trong chẩn đoán y khoa

Dmitry Gryadinov, Alexander Zasedatelev
"Khoa học đầu tay" №4 (75), 2017

Việc phát hiện ra ý nghĩa chức năng của hàng ngàn gen và cơ chế phân tử của hành động của nhiều enzyme là một sự kiện mang tính cách mạng trong sinh học, đã và đang tiếp tục gây ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của y học của thế kỷ XXI. Các nhà khoa học và bác sĩ đã mở ra những cơ hội duy nhất để tìm ra nguyên nhân của nhiều bệnh truyền nhiễm và di truyền, cũng như phát triển phương pháp hiệu quả để điều trị. Đến lượt mình, sự phát triển của các kỹ thuật chẩn đoán mới yêu cầu phát triển của công nghệ mới và phân tích multiparametric mẫu sinh học có thể được sử dụng đồng thời để điều tra nhiều protein và DNA đánh dấu các bệnh khác nhau về mặt chức năng đại phân tử sinh học quan trọng và phức của chúng. Vì vậy, một công nghệ microarray sinh học có khả năng, như vi mạch điện tử, lấy và xử lý một lượng lớn thông tin từ một mẫu nhỏ của vật liệu sinh học thu được từ bệnh nhân.

Giới thiệu về tác giả

Dmitry Alexandrovich Gryadinov – Ứng viên khoa học sinh học, Phó giám đốc nghiên cứu và trưởng phòng thí nghiệm công nghệ chẩn đoán phân tử, Viện Sinh học phân tử V. A. Engelhardt RAS (Moscow). Đạt giải thưởng Nhà nước của Liên bang Nga cho các nhà khoa học trẻ (2003), Giải thưởng Galen Nga (2014). Tác giả và đồng tác giả của 60 bài báo khoa học và 27 bằng sáng chế.

Alexander Sergeevich Zasedatelev – Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Giáo sư, Trưởng phòng thí nghiệm vi sinh học của Viện Sinh học phân tử. V. A. Engelhardt của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Moscow), Trưởng khoa Sinh học Phân tử và Tế bào, Viện Vật lý và Công nghệ Moscow. Người đoạt giải thưởng Galen Nga (2014), người nắm giữ Huân chương Học thuật của Pháp (2016). Tác giả và đồng tác giả của 190 bài báo khoa học và 37 bằng sáng chế.

Trong nhiều thập kỷ qua, một lượng kiến ​​thức khổng lồ đã được tích lũy về cơ sở phân tử của các quá trình sinh hóa trong các sinh vật sống. Điều này làm cho nó có thể không chỉ để chẩn đoán chính xác một bệnh cụ thể, mà còn để đánh giá khả năng xảy ra của nó ngay cả trước khi bệnh nhân có triệu chứng lâm sàng, cũng như để chọn một liệu pháp hiệu quả.Phần lớn thông tin như vậy thu được thông qua chẩn đoán trong phòng thí nghiệm, trong đó hơn 100 tỷ đô la được chi tiêu hàng năm trên thế giới. Ở Nga vào năm 1970, nó đếm được 81 bài kiểm tra sinh hóa / phân tử, vào năm 2000 – 170, và ngày nay số lượng các bài kiểm tra được đo bằng hàng ngàn!

Hầu hết các phương pháp chẩn đoán phân tử quan trọng nhất dựa trên phân tích dữ liệu thu được trong nghiên cứu cấu trúc bộ gen của con người và vi sinh vật. Trước hết là về phản ứng chuỗi polymerase (PCR). DNA thường được chứa trong các mẫu với số lượng tối thiểu, nhưng sử dụng PCR có thể "nhân lên" hàng triệu lần trong một mẫu vật liệu sinh học được nghiên cứu, một số mảnh của các đại phân tử này. Sử dụng phương pháp này, có thể xác định sự hiện diện của, ví dụ, tác nhân gây bệnh, ngay cả khi chỉ có một vài phân tử DNA của nó có mặt trong mẫu.

Tuy nhiên, khả năng của các phương pháp dựa trên PCR được giới hạn trong trường hợp khi nói đến việc phân tích đồng thời hàng chục và hàng trăm dấu ấn sinh học khác nhau. Và ở đây là công nghệ đã được chứng minh vi sinh vật (biochips). Ưu điểm của công nghệ này là thử nghiệm được thực hiện theo định dạng "một mẫu – một thể tích phản ứng của chip sinh học", tức là mẫu không cần chia thành nhiều phần và chúng cần được phân tích riêng. Định dạng này làm tăng độ nhạy của phân tích và làm giảm sự phức tạp và chi phí của nó, làm cho các phòng thí nghiệm chẩn đoán lâm sàng có thể kiểm tra hàng chục và hàng trăm mẫu cho mỗi ca làm việc.

Ngày nay, các tạp chí khoa học hàng đầu thường xuyên xuất bản các đánh giá về vi mạch sinh học, sản xuất hàng chục công ty và bán hàng trăm triệu đô la một năm. Tuy nhiên, ý tưởng tạo ra các biochips được sinh ra chỉ cách đây một phần tư thế kỷ, và một trong những nơi sinh của công nghệ này là Viện Sinh học Phân tử. V. A. Engelhardt của Học viện Khoa học Nga.

Ngay từ đầu, cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu Nga được phân biệt bởi sự lựa chọn thành công của các giải pháp công nghệ chủ chốt, nhờ đó công nghệ sinh học của IMB RAS tiếp tục duy trì tính cạnh tranh trong khoa học thế giới. Nhiều phương pháp tiếp cận này (ví dụ, thay thế nhãn phóng xạ bằng đèn huỳnh quang,việc sử dụng hydrogel và các yếu tố hình cầu) bắt đầu được sử dụng trong công việc của họ bởi các nhà nghiên cứu khác tham gia vào việc phát triển các biochips. Và từ năm 2000, trong RAS của IMB, với sự hỗ trợ của Trung tâm Khoa học và Công nghệ Quốc tế, công việc bắt đầu về việc tạo ra các biochips cho chẩn đoán y học về các tác nhân gây bệnh xã hội quan trọng.

Năm 2011, Hiệp hội quốc gia về Phthisiologists của Nga đã trao tặng IMB RAS với một cúp và bằng tốt nghiệp “Dự án sáng tạo tốt nhất” để phát triển công nghệ di truyền phân tử của vi sinh vật và tạo ra một hệ thống xét nghiệm chẩn đoán bệnh lao dựa trên nó. Theo các tính toán của Viện Nghiên cứu Trung ương về Tổ chức và Thông tin Y tế "," tiết kiệm ngân sách khi giới thiệu công nghệ biochips để chẩn đoán bệnh lao và xác định tính nhạy cảm với thuốc của mầm bệnh tối thiểu là 70 rúp cho mỗi lần đầu tư "(Bộ Y tế và Phát triển Xã hội, 2009) ).

Biochips in

Yếu tố chính của bất kỳ biochip là một ma trận của hàng trăm và hàng ngàn microcells, mỗi trong số đó chứa cái gọi là phân tử thăm dò – phân tử có thể ràng buộc cụ thể chỉ để xác định nghiêm ngặt các phân tử sinh học hoặc mảnh vỡ của họ.Oligonucleotides, DNA di truyền, RNA, kháng thể, oligosaccharides, các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, vv .. có thể phục vụ như đầu dò, mỗi tế bào của biochip phục vụ như một “ống nano” riêng biệt, nơi đầu dò cố định chỉ nhận được mục tiêu riêng của nó trong mẫu phân tích. Theo cách này, có thể tiến hành công nhận song song nhiều mục tiêu cùng một lúc, ví dụ, các gen chịu trách nhiệm về tính kháng thuốc của mầm bệnh.

Trong bảng phân tích sinh học, các ô có đầu dò cố định được sắp xếp theo các hàng được sắp xếp với mỗi ô có chứa một đầu dò duy nhất. Tùy thuộc vào loại biochip, đường kính của các tế bào thay đổi từ 50 đến 300 μm, và số lượng của chúng phụ thuộc vào độ phức tạp của (các) mục tiêu được phân tích và nhiệm vụ của thí nghiệm và dao động từ vài chục đến vài nghìn. Các phân tử của mẫu được nghiên cứu được dán nhãn huỳnh quang, vì vậy khi chiếu xạ với ánh sáng của một bước sóng nhất định của tế bào nơi các đầu dò bị ràng buộc nhắm vào các phân tử, chúng sẽ phát sáng (hai tế bào bên ngoài)

Sự khác biệt chủ yếu trong công nghệ sinh học ma trận, được phát triển tại Viện Sinh học từ, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, là các đầu dò không nằm trên nền phẳng, nhưng trong các giọt nhỏ hydrogel bán cầu polymer hóa.Đặt đầu dò phân tử trong một khối lượng ba chiều, chứ không phải trên một mặt phẳng, cung cấp một số lợi thế đáng kể. Nó cho phép hàng chục và hàng trăm lần để tăng công suất của các biochip cho mỗi đơn vị bề mặt và, theo đó, độ nhạy của phép đo. Ngoài ra, gel là một chất thạch bão hòa với nước, loại bỏ khả năng của các đầu dò tương tác với nhau và với bề mặt rắn của chất nền, và cũng cung cấp sự cô lập tuyệt vời của các tế bào riêng lẻ trên mạch sinh học.

Các tế bào hydrogel tích tụ 3D của các chip sinh học có một số ưu điểm so với các bề mặt. Ví dụ, trong một hydrogel, các phân tử thăm dò cố định, bao gồm protein, giữ lại hoạt động của chúng, và khả năng lấp đầy của tế bào với đầu dò cao hơn gấp 10 lần so với các “bio”

Để ghi lại các kết quả phân tích sử dụng nhãn huỳnh quang, được đưa vào các phân tử mẫu. Nếu thăm dò đặc biệt nhận ra và liên lạc với mục tiêu, một tế bào xảy ra trong tế bào. huỳnh quang. Cường độ phát sáng của các tế bào sinh học được đo bằng cách sử dụng các phân tích phần mềm phân tích phần cứng đặc biệt, cho thấy sự hiện diện của các mục tiêu phân tử cụ thể trong mẫu.p.

Thiết bị phân tích sinh học bao gồm một đơn vị quang điện, một hệ thống laser để kích thích huỳnh quang và một phần quang học kết hợp với camera CCD truyền hình ảnh của chip tới máy tính, nơi các tín hiệu trong mỗi ô được tính toán và phân tích bằng thuật toán cụ thể. Để có được một ma trận sinh học, các dung dịch của các phân tử thăm dò được trộn lẫn với các chất phụ gia tạo gel. Giọt hỗn hợp được áp dụng cho bề mặt của chất nền polymer của chip trong tương lai bằng cách sử dụng robot và chiếu xạ bằng ánh sáng cực tím, dưới tác động của quá trình trùng hợp. Trong phản ứng, các đầu dò phân tử được gắn vào các chuỗi polymer đang phát triển của gel và kết quả là phân bố đều trong toàn bộ thể tích tế bào.

Công nghệ ban đầu của việc tạo ra các loại gel như vậy, được phát triển tại Viện Khoa học Sinh học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, đã được cấp bằng sáng chế và chứng nhận theo tiêu chuẩn Châu Âu. Biochips tạo ra bằng cách sử dụng công nghệ này chiếm một niche riêng biệt của microarrays chẩn đoán và được sử dụng trong các phòng khám Nga. Micromatrix thương mại được sản xuất bởi các tập đoàn nghiên cứu hàng đầu ở Đức và Hoa Kỳ được sử dụng chủ yếu cho mục đích nghiên cứu.

Nga là người tiên phong trong xây dựng biochip

Các ma trận lớn với DNA và protein cố định trên bộ lọc hoặc cố định trong các giếng của viên thuốc đã được biết đến trong một thời gian dài. Nhưng ý tưởng tạo ra vi mạch của định dạng hiện đại chỉ xuất hiện vào cuối thế kỷ trước. Công trình đầu tiên về vi mạch DNA và một trong những chip đầu tiên trên protein được xuất bản bởi một nhóm các nhà nghiên cứu A. D. Mirzabekov thuộc Viện Sinh học Phân tử Moscow. V. A. Học viện Khoa học Engelhardt của Liên Xô (Khrapko et al., 1989; Arenkov và cộng sự, 2000).

Ý tưởng mang tính cách mạng này được sinh ra như một đề xuất cho một phương pháp mới về trình tự DNA bằng cách lai tạo – quá trình kết hợp hai phân tử DNA đơn mạch bổ sung thành sợi kép. Công việc cải thiện kỹ thuật sắp xếp trình tự được kích thích bởi sự quan tâm ngày càng tăng trong vấn đề giải mã hệ gen của con người.

Một nhà sinh vật học phân tử xuất sắc, nhà nghiên cứu A. D. Mirzabekov trong phòng thí nghiệm vi sinh vật học của Viện Sinh lý học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Moscow)

Vào thời điểm đó, cộng đồng khoa học đã tranh luận rộng rãi về việc liệu nhiệm vụ này có nên được giải quyết bằng cách mở rộng các phương pháp hiện có hay không, hay những phát triển mới, hiệu quả hơn cần được phát triển. Các nhà khoa học đầu tiên đã đi trên con đường đầu tiên. Vì vậy, vào năm 1977“Phương pháp Senger” xuất hiện, dựa trên sự tổng hợp enzyme của trình tự DNA bổ sung trên mẫu DNA sợi đơn được phân tích, và các nhà phát triển của nó đã nhận được giải Nobel năm 1980. Trong bài phát biểu Nobel của ông, một trong những người đoạt giải, một nhà sinh hóa học người Mỹ U. Gilbert, lưu ý rằng "ý tưởng về phương pháp này chỉ sau chuyến thăm thứ hai của A. Mirzabekov" đến phòng thí nghiệm của ông (Gilbert, 1984).

Trong quá trình giải trình tự lai, việc giải mã ADN không có trong các ký tự nucleotide riêng biệt, nhưng theo các từ "có kích thước nhất định, và từ điển như vậy có thể chứa hàng ngàn từ. Sự cần thiết để tạo ra vi mạch trở nên rõ ràng: tại thời điểm này bài báo đầu tiên được các nhà khoa học từ IMB công bố, nơi chuẩn bị và tính chất của vi mạch gel được mô tả (Khrapko et al., 1989).

Công nghệ sản xuất gel biochips đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Công nghệ của thế hệ đầu tiên, vẫn khá cồng kềnh và không hoàn hảo, được phát triển và cấp bằng sáng chế tại IMB năm 1989-1993, và sau đó được thực hiện trong phòng thí nghiệm chung do Viện và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Mỹ) tổ chức và được các công ty Mỹ cấp phép MotorolaDụng cụ đóng gói. Tuy nhiên, do các vấn đề về công nghệ, các công ty bắt đầu sản xuất các biochips, ma trận trong đó là một bề mặt hoàn toàn được phủ bằng gel polyacrylamide.

Trong RAS IMB, công nghệ sinh học gel tiếp tục phát triển. Công nghệ hiện đại, khá đơn giản, linh hoạt và rẻ tiền cho phép ngay cả trong phòng thí nghiệm để sản xuất hàng trăm và hàng ngàn oligonucleotide, DNA hoặc protein vi mô mỗi ngày (Kolchinsky et al, 2004).

Lao và kháng thuốc

Hệ thống thử nghiệm dựa trên biochip đầu tiên trên thế giới đăng ký sử dụng y tế là bộ công cụ TB-Biochip-1 do IMB phát triển năm 2004. Nó có thể được sử dụng để xác định sự hiện diện của 47 đột biến trong hệ gen của vi khuẩn mycobacterium tuberculosis, dẫn đến đề kháng với hai loại thuốc chống lao chính – rifampicinisoniazid.

Một ví dụ về xác định tính nhạy cảm của thuốc của tác nhân gây bệnh lao đối với các thuốc chống lao chính bằng cách sử dụng một chip sinh học. Ở bên trái – hình ảnh huỳnh quang cho thấy nhạy cảm với liệu pháp tiêu chuẩn; bên phải – về sự hiện diện của đột biến trong DNA, tạo ra khả năng kháng bệnh cho rifampicin và isoniazid, đòi hỏi phải chuyển sang phác đồ điều trị bằng thuốc dự trữ.Sự phát sáng của tế bào TB biểu thị sự hiện diện của chuỗi IS6110, điều này cho thấy rõ ràng rằng DNA phân tích thuộc về tác nhân gây bệnh của bệnh lao

Tại sao sự chú ý của các nhà nghiên cứu lại thu hút chính xác bệnh lao? Thực tế là trong nhiều thập kỷ để chống lại căn bệnh này, họ đã sử dụng phương pháp điều trị kết hợp với một số loại thuốc hóa trị liệu cùng một lúc để tăng hiệu quả của nó. Với đơn trị liệu, bệnh nhân nhanh chóng có được sức đề kháng với thuốc. Tuy nhiên, một chiến lược như vậy đã dẫn đến thực tế là vào cuối thế kỷ trước, bệnh lao với bệnh lao lan tràn lan rộng khắp thế giới, kể cả ở Nga. đa kháng. Đó là yếu tố này thường là nguyên nhân dẫn đến kết cục không may của điều trị và sự xuất hiện của bệnh tái phát, từ đó có hơn 3 triệu người chết mỗi năm trên thế giới.

Isoniazid và rifampicin là một trong những loại thuốc phổ biến và hiệu quả nhất trong loạt sản phẩm đầu tiên (chính). Và nếu tác nhân gây bệnh phân lập từ bệnh nhân hóa ra là có khả năng đề kháng với các loại thuốc này, thì cần phải chuyển sang thuốc hóa trị của loạt thứ hai (dự trữ), mà số lượng vi khuẩn này sẽ nhạy cảm.Hôm nay, một trong những loại thuốc hứa hẹn nhất để điều trị các dạng bệnh lao này là fluoroquinolones. Do đó, TB-Biochip-2 đã trở thành hệ thống xét nghiệm tiếp theo trong loạt các xét nghiệm chẩn đoán cho IMB, có khả năng xác định tính kháng thuốc đối với các loại thuốc khác nhau (Grudinov và cộng sự, 2009).

Sự lây lan ngày càng tăng của bệnh lao đa kháng thuốc đã kích thích thêm “tiến hóa” của hệ thống xét nghiệm. Trước hết, cần phải bao quát toàn bộ phổ kháng thuốc xác định di truyền đối với một loạt các loại thuốc chống lao. Thứ hai, nó trở nên cần thiết để xác định kiểu gen và, theo đó, thuộc chủng phân lập với các gia đình chính lưu hành trên lãnh thổ Liên bang Nga, điều quan trọng không chỉ đối với việc giám sát dịch tễ học của các tác nhân gây bệnh lao mà còn cho việc kê đơn điều trị đầy đủ.

Vì vậy, trong 2012-2013. Theo kết quả của nghiên cứu hệ gen quy mô lớn, bộ thuốc thử TB-TEST không có các chất tương tự trên thế giới được tạo ra, cho phép xác định đồng thời 120 locus di truyền,chịu trách nhiệm cho sự phát triển đề kháng với thuốc của dòng phòng thủ thứ nhất và thứ hai: rifampicin, isoniazid, ethambutol, fluoroquinolones và thuốc tiêm (amikacin và capreomycin) (Zimenkov và cộng sự, 2016). Chẩn đoán như vậy cho phép kê đơn liều cao khác nhau của thuốc hóa trị hoặc ngược lại, để loại bỏ một số loại thuốc nhất định khỏi phác đồ.

Mẫu huỳnh quang trong phân tích ADN của tác nhân gây bệnh lao của kiểu gen đặc biệt nguy hiểm Bắc Kinh B0 / W148, đề kháng với tất cả các loại thuốc chống lao. Chấm đỏ – các tế bào, thực hiện việc xác định đột biến. Về cấu trúc của hệ thống sinh học "TB-TEST" (bên trái) màu sắc khác nhau nhóm được đánh dấu của các tế bào với đầu dò oligonucleotide cố định trong đó, cụ thể cho các biến thể của gen liên quan đến kháng thuốc với thuốc chống lao của hàng đầu tiên và thứ hai

Để có được đăng ký nhà nước tại Roszdravnadzor, hệ thống kiểm tra đã vượt qua tất cả các loại kiểm tra và kiểm tra và kể từ năm 2014 nó đã được phép sử dụng trong thực tiễn y tế của Liên bang Nga. Hiện tại, TB-TEST đang thay thế bộ dụng cụ TB-Biochip.

Hệ thống kiểm tra của loạt TB-Biochip và thiết bị để phân tích20 cơ sở TB của Liên bang Nga và 8 phòng thí nghiệm vi khuẩn của Dịch vụ Trại giam Liên bang đã được trang bị. Số lượng bệnh nhân được chữa trị bằng lao kháng thuốc tăng ít nhất 3 lần khi được chẩn đoán sớm bằng cách sử dụng biochips, trái ngược với phương pháp chẩn đoán truyền thống (Gryadunov và cộng sự, 2011). Trong trường hợp này, yếu tố như thời điểm phân tích đóng một vai trò rất lớn: trong trường hợp đầu tiên, một vài giờ là đủ để chẩn đoán, trong khi tăng mycobacteria trong môi trường với các loại thuốc chống lao khác nhau mất 2-3 tháng.

Từ viêm gan đến ung thư và dị ứng

Một vấn đề chuyên đề khác trong chăm sóc sức khỏe toàn cầu là điều trị cho bệnh nhân viêm gan C. Tác nhân gây bệnh này có thể nhân lên trong gan trong một thời gian dài, mà không cho bản thân đi, và những dấu hiệu đầu tiên của bệnh được phát hiện chỉ vài tháng sau khi nhiễm bệnh. Gần đây, viêm gan C được coi là một bệnh gần như không thể chữa được, và tác nhân điều trị chính là sự kết hợp của interferonribavirinthường không hiệu quả và có nhiều tác dụng phụ tiêu cực.

Ngày nay, các loại thuốc kháng vi-rút mới có cái gọi là tác dụng kháng virus trực tiếp và ngăn chặn các giai đoạn nội bào quan trọng của sự sinh sản của mầm bệnh. Nhưng khó khăn là virus viêm gan C có 7 biến thể của kiểu gen, và mỗi kiểu gen có một số kiểu phụ khác. Hơn nữa, các kiểu gen / kiểu phụ khác nhau có độ nhạy khác nhau với các thuốc truyền thống và mới, và việc lựa chọn điều trị kháng virus nên được thực hiện phù hợp với các đặc tính kiểu gen của mầm bệnh.

Cùng với Phòng thí nghiệm Virological của Bệnh viện Đại học Toulouse (Pháp), IMB RAS đã phát triển và cấp bằng sáng chế một cách tiếp cận vô song dựa trên việc sử dụng nền tảng sinh học hydrogel để đánh máy virus viêm gan C dựa trên phân tích vùng NS5B của bộ gen virus. Hệ thống xét nghiệm HCV-Biochip, có khả năng phát hiện 6 kiểu gen và 36 kiểu phụ của virus này, đã thành công trong việc thử nghiệm lâm sàng ở Nga và Pháp (Gryadunov và cộng sự, 2011).

Hệ thống xét nghiệm HCV-Biochip được sử dụng để xác định 6 kiểu gen và 36 phân nhóm của virus viêm gan C dựa trên phân tích vùng NS5B của hệ gen virus. Ở bên phải – mô hình lai phân tích của một mẫu cụ thể và cách giải thích của nó

Hướng quan trọng nhất của ứng dụng công nghệ hydrogel biochips là phân tích các đột biến và đa hình của DNA của con người: các marker DNA liên quan đến sự xuất hiện của các bệnh không lây nhiễm khác nhau.

Trong số các bệnh ung thư ở trẻ em, nơi hàng đầu bị chiếm giữ bởi bệnh bạch cầu. Hệ thống thử nghiệm "LC-Biochip" có thể xác định trong các mẫu máu 13 có ý nghĩa lâm sàng nhất sự dịch chuyển nhiễm sắc thể (chuyển giao một mảnh của nhiễm sắc thể này sang nhiễm sắc thể khác), đặc trưng của một số loại bệnh bạch cầu cấp tính và mãn tính. Mỗi phiên dịch này xác định biến thể riêng của nó về sự phát triển của bệnh bạch cầu và là điều quan trọng để lựa chọn một chiến lược điều trị. Hệ thống thử nghiệm này được sử dụng trong Trung tâm Khoa học và Thực hành Quốc gia về Huyết học nhi khoa, Ung thư và Miễn dịch học. Dmitry Rogachev (Moscow), nơi các mẫu từ 18 trung tâm huyết học khu vực của Liên bang Nga được phân tích (Gryadunov et al., 2011).

Để chẩn đoán sớm ung thư vú và buồng trứng, hệ thống xét nghiệm sinh học vú đã được tạo ra, giúp xác định đột biến trong gen BRCA1 / 2 liên quan đến xác suất cao (tới 80%) của sự xuất hiện các dạng di truyền của các bệnh này.

Hiện nay, RAS IMB đang phát triển các biến thể của hệ thống thử nghiệm dựa trên biochip để xác định độ nhạy của các tế bào ác tính với liệu pháp chống ung thư. Ví dụ, sử dụng một chip sinh học để lựa chọn các loại thuốc có ảnh hưởng đến các mục tiêu phân tử trong các tế bào khối u ác tính, có thể xác định đột biến gen xác định sự phù hợp của việc sử dụng các loại thuốc đó nhắm mục tiêu ("nhìn thấy phân tử") điều trị giai đoạn tiên tiến và tái phát u ác tính, như trametinib, imatinibvemurafenib (Emelyanova và cộng sự, 2017).

Cấu trúc ba chiều của hydrogel, trong đó các đầu dò phân tử được cố định trên các chip sinh học, làm cho nó có thể bảo toàn cấu trúc nguyên thủy của các phân tử protein nhạy cảm mà không có thay đổi. Do đó, các biochips này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các tương tác protein-protein, được yêu cầu, ví dụ, khi thực hiện các loại phân tích miễn dịch khác nhau.

IMB RAS quản lý để dịch một phân tích cổ điển thành một định dạng vi mạch và thích ứng với nó để chẩn đoán các bệnh dị ứng. Cùng với công ty công nghệ sinh học Đức Tiến sĩFooke Laboratorien GmbHtrong đó cung cấp các chất gây dị ứng tự nhiên và tái tổ hợp, hệ thống xét nghiệm Allergo-Biochip được phát triển và cấp bằng sáng chế cho việc xác định định lượng song song các kháng thể đặc hiệu gây dị ứng E và G4 trong huyết thanh (Feyzkhanova và cộng sự, 2017).

Trong các tế bào Allergo-Biochip, chất chiết xuất từ ​​60 chất gây dị ứng phổ biến nhất được tìm thấy ở phần châu Âu của Liên bang Nga được cố định làm đầu dò phân tử. Trong quá trình phân tích, huyết thanh được áp dụng cho các biochip và ủ, dẫn đến sự hình thành của các phức hợp cụ thể của kháng thể với chất gây dị ứng. Để hình dung ra các biochip, chúng được xử lý với các kháng thể được đánh dấu huỳnh quang thứ cấp đặc hiệu cho kháng thể của con người, sau đó ghi lại và tính toán tín hiệu từ mỗi tế bào và xác định nồng độ của phức hợp với IgE bằng đường chuẩn

Điều quan trọng là việc phân tích kháng thể cho 30 hoặc nhiều chất gây dị ứng trên một chip sinh học đòi hỏi một lượng máu rất nhỏ (chỉ 60 μl) – chỉ cần nhiều nhất để phân tích một chất gây dị ứng bằng phương pháp xét nghiệm miễn dịch truyền thống! Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng trong nhi khoa. Phiên bản thử nghiệm của hệ thống xét nghiệm này đã trải qua thử nghiệm tiền lâm sàng tại Bệnh viện Lâm sàng Trẻ em số 13 có tên sau đó. N.F. Filatova (Moscow).

Ví dụ về hình ảnh của hình ảnh huỳnh quang và hồ sơ nồng độ tương ứng thu được khi phân tích mẫu huyết thanh của hai bệnh nhân

Mười hai hệ thống thử nghiệm chuyên ngành dựa trên công nghệ của các mạch sinh học hydrogel trong RAS IMB đã được phê duyệt để sử dụng làm thiết bị y tế cho chẩn đoán trong phòng thí nghiệm. Các hệ thống thử nghiệm này được sử dụng thành công tại hơn 50 trung tâm nghiên cứu và y tế của Liên bang Nga, các nước CIS và EU.

Công nghệ Biochip được phát triển tại Viện Sinh học và Toán học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga được bảo vệ bởi 42 bằng sáng chế trong nước và quốc tế. Và những công nghệ này tiếp tục phát triển mạnh mẽ. Các phương pháp tiếp cận mới đang được phát triển để đơn giản hóa và tăng tốc kỹ thuật, tích hợp tất cả các giai đoạn phân tích thành một quy trình đơn lẻ, từ việc xử lý mẫu sinh học đến nhận dạng định lượng trong thời gian thực.

Cốt lõi của hệ thống – các biochip hydrogel – sẽ được sửa đổi thêm tùy thuộc vào mục đích của các thử nghiệm chẩn đoán, trong khi các thành phần khác đã được thống nhất. Các "phòng thí nghiệm trên chip" này sẽ cải thiện đáng kể chất lượng chẩn đoán trong phòng thí nghiệm,giảm khả năng lây nhiễm của nhân viên y tế và cuối cùng tăng hiệu quả và giảm chi phí điều trị.

Văn học
1. D. Garyadov, D. V. Zimenkov, V. M. Mikhailovich và những người khác Công nghệ sinh học hydrogel và ứng dụng của nó trong chẩn đoán phòng thí nghiệm y tế // Bảng chữ cái y tế. 2009. № 3. S. 10-14.
2. Zaseatelev A. S. Microchips sinh học cho chẩn đoán y khoa // Khoa học và công nghệ trong công nghiệp. 2005. Số 1. P. 18-19.
3. Kolchinsky A. M., Gryudinov D. A., Lysov Yu., Và các cộng sự Microchips dựa trên tế bào gel ba chiều: lịch sử và quan điểm // Sinh học phân tử. 2004. E. 38. № 1. S. 5-16.
4. Arenkov, P., Kukhtin, A., Gemmell, A., et al. Microchips protein: sử dụng cho phản ứng miễn dịch và phản ứng enzym // Phân tích sinh hóa. 2000. V. 278. N. 2. P. 123-131.
5. Emelyanova M., Ghukasyan L., Abramov I. et al. Phát hiện BRAF, NRAS, KIT, GNAQ, GNA11 và MAP2K1 / 2 đột biến ở bệnh nhân Nga sử dụng kẹp LNA PCR và phân tích sinh học // Oncotarget. 2017. V. 32. N. 8. P. 52304-52320.
6. Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O. et al. Phát triển phương pháp dựa trên microarray cho phát hiện IgE và IgG4 gây dị ứng // Proteomics lâm sàng. 2017. doi: 10.1186 / s12014-016-9136-7.
7. Gryadunov D., Dementieva E., Mikhailovich V. et al. Microarrays dựa trên gel trong chẩn đoán lâm sàng ở Nga // Đánh giá chuyên gia về chẩn đoán phân tử. 2011. N. 11. P. 839-853.
8. Khrapko K. R., Lysov Yu. P., Khorlyn A. A. Một cách tiếp cận lai oligonucleotide để giải trình tự DNA // Thư FEBS. 1989. V. 256. N. 1-2. P. 118-122.
9. Zimenkov D.V., Kulagina E.V., Antonova O.V., et al. Kháng thuốc đồng thời và bệnh lao mycobacterium sử dụng mật độ thấp hydrogel microarray // Tạp chí hóa trị liệu kháng khuẩn. 2016. V. 71. N. 6. P. 1520-1531.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: