биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Лаборатория на ладони

[25 октября, 2016 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Можно ли сейчас найти человека, не слышавшего о нанотехнологиях? Приставкой «нано» пестрят научно-популярные новостные ленты, названия высокорейтинговых компаний, даже вывески на улицах. Современным мужчинам предлагаются автомобильные «наномойки», столь же современным дамам — «нанокосметика». Так что же кроется за этой магической приставкой? Правда ли, что за нанотехнологиями будущее, и что нас в нём ждет, если это так? Попробуем, например, заглянуть в будущее онкодиагностики, вооружившись знаниями о природе и возможностях квантовых точек.

Нанотехнологии и жизнь

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.



Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано

Спонсор номинации — Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано.


Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!


Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

Если заглянуть в словарь, то можно обнаружить, что «нано» — это приставка, используемая в Международной системе единиц (СИ) и означающая одну миллиардную часть какой-либо единицы измерения. Другими словами, если к измеряемой единице прибавить приставку «нано», то получится произведение исходной единицы и числа 10–9. Например, метр, умноженный на 10–9, станет нанометром (нм).

Алексей Иванович Екимов

Рисунок 1. Алексей Иванович Екимов

То есть, спросите вы, получается, что нанотехнологии — это одна миллиардная часть обычных технологий? Логично, однако не совсем так. Нанотехнологии — это методы и приемы, основанные на использовании материалов или устройств, обладающих очень маленькими размерами — в районе 100 нм и меньше. Такие технологии очень востребованы в наше время, так как обладают совершенно уникальными свойствами по сравнению с технологиями традиционными*. Сложно найти область человеческой жизни, где нанотехнологии не проявили бы себя: это и космическая промышленность, и государственная оборона, и компьютерная техника, и телекоммуникации, и видеоустройства, и медицина... Всё перечислить невозможно. Перед глазами встает картина далекого будущего, где вместо автомобилей люди передвигаются на летающем транспорте, повсюду сворачиваются и разворачиваются жидкокристаллические прозрачные экраны и никто не болеет раком. Да ну, такое не под силу даже нанотехнологиям, усмехнетесь вы. Соглашусь, может, всё будет совсем не так. Кто знает, как пойдет развитие транспортной инфраструктуры и мобильных технологий...

* — Нанотехнологии уже давно освоила Природа, и человеку приходится какие-то конструкторские идеи заимствовать у нее. Много интересного предлагают, например, насекомые — «Может ли муха стать нанотехнологом?» [1], — да даже простые молекулы ДНК, оказывается, могут работать не хуже сложной техники: «Нано-pH-метр» [2]. Только вот уникальные свойства нанообъектов предполагают и особенный характер взаимодействия с объектами биологическими. О том, что происходит в области непосредственного контакта наночастиц со структурами живого организма, повествует материал «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [3]. — Ред.

Только вот что с онкологическими заболеваниями? Можно ли их излечить, используя нанотехнологии, или это из области несбыточных мечтаний? Однозначного ответа, конечно, нет, однако ученые по всему миру работают над этим вопросом. И уже даже есть результаты.

Квантовые точки — мал да удал!

Охватить всё разнообразие идей деятелей науки невозможно, поэтому хотелось бы остановиться на одном нанообъекте, имеющем потенциал в области диагностики и терапии онкологических заболеваний — квантовых точках (англ. quantum dots).

Этот наноматериал был открыт в 1981 году русским физиком Алексеем Ивановичем Екимовым (рис. 1) [4].

Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы (рис. 2), обладающие благодаря своему малому размеру (1–20 нм) особыми оптическими и электронными свойствами. Именно особенность кристаллов потрясающе малого размера — квантовый размерный эффект — отразил Марк Рид в названии этих объектов в 1988 году [5–7].

Квантовые точки селенида кадмия

Рисунок 2. Квантовые точки селенида кадмия. а — Трансмиссионная фотография квантовых точек CdSe размером 4 нм. б — Структура квантовой точки CdSe. Изображение получено с помощью дифракции рентгеновского излучения. Фото из [5, 6].

Особый интерес к квантовым точкам вызвала их способность изменять свои оптические свойства в зависимости от размера и формы. Чем меньше нанокристалл, тем больше расстояние между его энергетическими уровнями. Таким образом, при возбуждении квантовой точки и последующем переходе электрона на более низкий энергетический уровень появляется возможность регулировать энергию испускаемого фотона, а следовательно, и длину волны испускаемого квантовой точкой света. Благодаря невероятной яркости свечения и удобству регулировки его цвета, квантовые точки приобрели популярность в научно-технической среде и даже за ее пределами. И правда, кто сможет устоять (рис. 3).

Светящиеся квантовые точки

Рисунок 3. Светящиеся квантовые точки

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать

Конечно же, ученые-медики и биологи тоже не остались в стороне. Уже довольно давно в медицине и лабораторной диагностике используются разнообразные красящие агенты. Например, в гистологических исследованиях тонкую пластинку человеческой ткани окрашивают специальными красителями — гематоксилином и эозином, — благодаря чему становятся видны клетки и их содержимое (рис. 4). В основе популярного метода исследования клеточных суспензий, который называется проточной цитометрией (рис. 5), лежит принцип мечения клетки светящимся веществом с последующей ее визуализацией в специальном приборе [8]. Человеку всегда хочется «увидеть» болезнь, ее «расположение» в организме, изменения, которым она подвергает ткани, ее распространение. Такой подход очень эффективен, ведь так врач сможет поставить диагноз наиболее точно, ему не придется действовать вслепую.

Опухоль шейки матки

Рисунок 4. Гистологический срез опухоли шейки матки. Рисунок с сайта http://www.allwomens.ru/.

Дифференциация клеток крови

Рисунок 5. Результат дифференциации клеток крови методом проточной цитометрии. Рисунок с сайта http://refdb.ru/.

Квантовые точки очень ярко светятся при сáмом слабом облучении, что, конечно же, сразу натолкнуло ученых на мысль использовать их для визуализации различных процессов, протекающих в человеческом организме. Итак, что же конкретно мы можем с их помощью увидеть и как это поможет людям взять контроль над ужасной болезнью — раком?

За диагностикой — будущее

В клинических лабораториях уже несколько десятилетий проводятся анализы на так называемые онкологические маркеры [9, 10]. Они появляются в организме в ответ на злокачественную трансформацию клеток и циркулируют в крови заболевшего человека, что очень упрощает раннюю диагностику рака. Иногда онкомаркеры появляются в крови незадолго до начала роста опухоли, и по ним можно предсказать развитие болезни. Однако эти исследования довольно дорогие и трудоемкие, и это, к сожалению, не позволяет использовать их часто и для всех нуждающихся. Вот тут-то на помощь и приходят квантовые точки.

Вспомним мечту о будущем: летающие машины, небоскребы... Почему бы не добавить в эту картину моментальную диагностику рака? Да еще в лаборатории, умещающейся на ладони? С помощью квантовых точек создание такой системы становится возможным.

Традиционно для определения раковых маркеров используется метод иммуноферментного анализа (ИФА), в основе которого лежит следующая схема молекулярных взаимодействий (рис. 6). На пластик (обычно — полистирольный планшет со множеством лунок), покрытый антителами к искомому антигену (онкомаркеру), наносится сыворотка крови пациента. Затем к полученной смеси добавляется еще одно антитело, меченное органическим флуорофором или молекулой пероксидазы. Молекулы пероксидазы окрашивают субстрат в определенный цвет, что позволяет с помощью спектрофотометра определить, есть ли в данной сыворотке раковый маркер и в каком количестве.

Иммуноферментный анализ

Рисунок 6. Иммуноферментный анализ. Рисунок с сайта www.lsbio.com.

Весь процесс занимает около шести часов и требует особой аккуратности и дорогих расходных материалов. Как же можно его ускорить и облегчить?

Квантовые точки благодаря своей яркости и маленькому размеру позволяют гораздо быстрее и проще получать ответ о присутствии в крови пациента тех или иных раковых маркеров. Для этого ученые предлагают кодировать квантовыми точками маленькие полимерные микросферы (рис. 7), к которым прикреплены антитела к онкомаркерам [11, 12]. Кодировать — значит помещать в структуру таких микросфер квантовые точки разного размера и цвета*.

* — О таких микросферах в частности и способах конструирования биоаналитических наносенсоров в целом рассказывает другая конкурсная статья — «Молекулярные биосенсоры на базе полимеров с начинкой из квантовых точек» [13]. — Ред.

Микросферы с квантовыми точками

Рисунок 7. Микросферы, кодированные различными квантовыми точками. Рисунок из [12].

Так как микросферы не прикреплены ни к какой поверхности и могут нести на своей поверхности любые антитела к раковым маркерам, то даже в одной пробирке можно сформировать систему, в которой различные онкомаркеры будут прикрепляться к соответствующим антителам, и при облучении ярким светом такие комплексы будут светиться за счет квантовых точек, содержащихся в микросферах. Чтобы определить, к каким именно сферам и каким именно антителам прикрепляется искомая молекула, в систему необходимо добавить еще одно антитело с флуорофором — детектирующее (рис. 8). Засечь свечение от квантовых точек и от флуорофора можно с помощью проточного цитометра за считанные секунды. Таким образом, чтобы определить, есть ли в крови пациента тот или иной онкомаркер, врачу-лаборанту требуется всего лишь взять пробирку, добавить в нее микросферы с пришитыми к ним антителами, сыворотку крови пациента и детектирующее антитело с флуорофором и поместить эту смесь в проточный цитометр [14].

Принцип действия экспресс-лаборатории

Рисунок 8. Принцип действия экспресс-лаборатории по детекции раковых маркеров. Зеленым цветом обозначены антитела, прикрепленные к сферам, синим — онкомаркеры, коричневым — меченные флуорофором детектирующие антитела. Рисунок из [14].

Если в будущем такая технология будет в лаборатории каждой больницы, то проверить свою кровь на раковые маркеры сможет каждый желающий за небольшую плату. Только представьте себе, сколько жизней можно будет спасти, «поймав» рак на ранней стадии*! Конечно, всё не так просто, как хотелось бы: самое сложное — найти молекулы, присущие только какому-то определенному типу опухоли, нелегко составить оптимальный набор онкомаркеров для каждого конкретного пациента. Но квантовые точки позволяют нам хотя бы немного приблизиться к мечте о том, что такую жестокую болезнь, как рак, можно будет диагностировать быстро, дешево и надежно.

* — Наночастицы способны оказать человеку неоценимую помощь не только в диагностике рака и прочих недугов, но и в профилактике инфекций (как компонент вакцин) — «Вакцинация в контексте „нано“» [15], — и даже в терапии любых (!) заболеваний — ведь с помощью наночастиц в организм можно доставлять любые лекарства: «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц» [16], «Наномеханика для адресной доставки лекарств — насколько это реально?» [17]. — Ред.

Литература

  1. биомолекула: «Может ли муха стать нанотехнологом?»;
  2. биомолекула: «Нано-pH-метр»;
  3. биомолекула: «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“»;
  4. Екимов А.И. и Онущенко А.А. (1981). Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников. Письма в ЖЭТФ. 34 (6), 363–366;
  5. Alivisatos A.P. (1996). Semiconductor clusters, nanocrystals and quantum dots. Science271 (5251), 933–937;
  6. Herron N., Calabrese J.C., Farneth W.E., Wang Y. (1993). Crystal structure and optical properties of Cd32S14(SC6H5)36. DMF4, a Cluster with a 15 Angstrom CdS core. Science259 (5100), 1426–1428;
  7. биомолекула: «Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии»;
  8. Видеозапись пятого семинара СМУ, посвященного современным технологиям в проточной цитометрии. Сайт ИБХ;
  9. биомолекула: «Лектины — новые инструменты в диагностике и терапии злокачественных опухолей»;
  10. биомолекула: «Геном, транскриптом, метилом и... фрагментом — российские ученые на пути становления новой биомаркерной концепции»;
  11. Brazhnik K., Sokolova Z., Baryshnikova M., Bilan R., Efimov A., Nabiev I., Sukhanova A. (2015). Quantum dot-based lab-on-a-bead system for multiplexed detection of free and total prostate-specific antigens in clinical human serum samples. Nanomedicine11 (5), 1065–1075;
  12. Han M., Gao X., Su J.Z., Nie S. (2001). Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules. Nat. Biotechnol. 19 (7), 631–635;
  13. биомолекула: «Молекулярные биосенсоры на базе полимеров с начинкой из квантовых точек»;
  14. Sukhanova A., Susha A.S., Bek A., Mayilo S., Rogach A.L., Feldmann J. et al. (2007). Nanocrystal-encoded fluorescent microbeads for proteomics: antibody profiling and diagnostics of autoimmune diseases. Nano Lett. 7 (8), 2322–2327;
  15. биомолекула: «Вакцинация в контексте „нано“»;
  16. биомолекула: «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц»;
  17. биомолекула: «Наномеханика для адресной доставки лекарств — насколько это реально?»;
  18. Gao X. and Nie S. (2004). Quantum dot-encoded mesoporous beads with high brightness and uniformity: rapid readout using flow cytometry. Anal. Chem. 76, 2406–2410.

Автор: Бозрова Светлана.

Число просмотров: 199.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Технология»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Лаборатория на ладони

Николай  — 25 октября, 2016 г. 16:23. (ссылка) (свернуть ветвь)

По моему скромному мнению, описанный в статье подход к диагностике уже реализован и успешно применяется на практике. Например технология мультиплексного анализа одной из биотех компаний (тут может быть ваша реклама) основана на иммобилизации первичных антител на кодированных цветом микросферах, есть вариант, когда к микросфере "прикрепляют" наноштрихкод. Принципиально этот подход не отличается то ИФА - просто в качестве твердой фазы выступает не стенка планшета, а микросфера. Соответственно, скорее этот метод должен быть более дорогим.
Основной плюс от использования кодированных микросфер - возможность мультиплексирования теста (способность одновременной детекции нескольких маркеров в одном образце) и, как следствие, удешевления процедуры. Главный вызов, с которым сталкиваются "дизайнеры" таких тестов это кроссреактивность антител, которая препятствует мультиплексированию всего и вся.
Если политика сайта не запрещает давать ссылки на сайты производителей оборудования, я могу дать ссылку на эти подходы для изучения.

(ответить)

Re: Re: Лаборатория на ладони

Светлана — 25 октября, 2016 г. 16:46. (ссылка) (свернуть ветвь)

Николай, спасибо за комментарий!
Новизна, помимо того, что используются микросферы (кстати, это совсем не "просто", как Вы пишете :), состоит в том, что используются не привычные всем органические флуорофоры, а квантовые кристаллы, у которых, если Вы внимательно читали статью, совершенно иные оптические свойства. Насчет стоимости - тут Вы противоречите сами себе. В статье же написано, что удешевление происходит за счет того, что при таком методе можно анализировать одновременно несколько антигенов, плюс количество повторов для подтверждения результатов значительно снижается за счет высокой чувствительности метода. К тому же количество необходимых микрочастиц совершенно непропорционально количеству лабораторного пластика, затраченного на одно и то же исследования. Если я не права, расскажите, пожалуйста, на чем основано ваше мнение насчет стоимости.
Даже если метод уже используется (чего в клинических лабораториях пока что нет), то это совсем не значит, что он не новый, и что о нем не стоит писать и рассказывать о том, как он интересен :)

(ответить)

Re: Re: Re: Лаборатория на ладони

Николай — 25 октября, 2016 г. 17:14. (ссылка) (свернуть ветвь)

Светлана,
1. Вы пишите, что ELISA требует дорогих расходных материалов, но альтернативный подход требует все тех же расходных материалов за исключением большого кол-ва пластика. Вопрос на сколько микрочастицы будут дешевле планшета.
2. Вы пишите, Таким образом, чтобы определить, есть ли в крови пациента тот или иной онкомаркер, врачу-лаборанту требуется всего лишь взять пробирку, добавить в нее микросферы с пришитыми к ним антителами, сыворотку крови пациента и детектирующее антитело с флуорофором и поместить эту смесь в проточный цитометр. Однако это не совсем так: требуется соблюдать такой же протокол как и в ИФА. Инкубация образца с микросферами, покрытыми антителами => Отмывка=> Инкубация с вторичными антителами, конъюгированными с репортерным красителем => отмывка => анализ в цитометре.
3. В клинической практике применяется для диагностики TORCH инфекций, ВИЧ, гепатитов, аутоиммунных заболеваний, респираторно-вирусных заболеваний, геморрагических лихорадок, HLA-типирования и скрининга анти-HLA антител в трансплантологии, генотипирования антигенов групп крови и прочее)

(ответить)

Re: Re: Re: Re: Лаборатория на ладони

Светлана — 25 октября, 2016 г. 17:24. (ссылка)

На данный момент в клинических лабораториях метод не используется, поскольку он не прошел контроль FDA.
Последовательность действий Вы описали в целом правильно, однако стадии гораздо короче, чем в ИФА.
Я очень рада, что мой материал вызвал у нас дискуссию, однако поясните, Вы считаете, что материал не нов и не достоин публикации на конкурсе или Вы хотите меня поправить в том, что метод не дешевле?

(ответить)

Re: Re: Re: Re: Лаборатория на ладони

Чугунов Антон — 25 октября, 2016 г. 17:22. (ссылка)

Как приятно видеть обсуждение на высоком уровне!)

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.