БИОЧИПЫ: НАДЕЖДЫ ВРАЧЕЙ И БИОЛОГОВ

Наука и жизнь
№36 (384)

Несколько десятилетий назад были созданы электронные микросхемы, или микрочипы, которые позволили построить первые быстродействующие персональные компьютеры, не только совершившие настоящий переворот в вычислительной технике, но и коренным образом изменившие всю современную жизнь. И вот нечто подобное происходит сейчас в биологии и медицине с появлением биочипов - крохотных пластинок с множеством индикаторов из молекул ДНК, белков и других веществ, которые открывают фантастические возможности для развития различных отраслей науки и практики. Биочипы уже сейчас применяются в биологии, медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, криминалистике, токсикологии, охране окружающей среды и других сферах деятельности человека. Новая методика позволяет анализировать самые разные образцы органического происхождения.
Биочип представляет собой набор фиксированных на стеклянной пластинке сотен и тысяч «микропробирок», точнее гелевых капель, объемом в одну миллионную миллилитра. Каждая из них заполнена своим реактивом-анализатором. На биочип наносят исследуемый материал. В тех каплях-»пробирках», где произошло взаимодействие реактива с препаратом, возникает специфическое свечение. Оно регистрируется микроскопом и обрабатывается компьютером. По расположению светящихся ячеек и можно судить о том, что представляет собой исследуемый препарат. В биочип можно заправить ДНК болезнетворных бактерий и вирусов для обнаружения этих патогенов в окружающей среде, у пациента в крови или слюне. Это дает в руки врачей быстрый, надежный и дешевый способ диагностики и обследования больного, позволяет им практически безошибочно прогнозировать результаты лечения.
В ячейки биочипа можно поместить и другие субстанции для решения самых разнообразных задач - возможности здесь поистине безграничны. Например, эти устройства могут использоваться в борьбе с терроризмом. Уже сейчас созданы биочипы, которые дают возможность довольно быстро и просто идентифицировать применяемые злоумышленниками возбудители оспы, сибирской язвы, чумы...
Интересна история возникновения этого многообещающего направления современной науки. Идея биочипов возникла почти одновременно в конце 1980-х годов в России, в Институте молекулярной биологии Российской Академии наук, и Америке - в компании Affymetrix. Однако первую статью на эту тему опубликовали в международном журнале ученые из Москвы, проводившие фундаментальные исследования в рамках национальной государственной программы «Геном человека». Сделали они это на два года раньше американцев, утвердив таким образом свой приоритет.
До 1991 года разработка биочипов в институте шла полным ходом, а потом положение в стране резко ухудшилось, и финансирование прекратилось. Выручили россиян американские коллеги. В том же году на проходившую в институте международную конференцию приехал президент и директор Affymetrix, активно работавшей в области создания биочипов и по настоящее время остающейся одним из мировых лидеров по их производству. Компания, а вслед за ней Министерство энергетики Соединенных Штатов выделили московскому институту небольшие субсидии, на которые можно было продолжить исследования. А в 1993 году Институт молекулярной биологии посетил директор биологического отдела Аргонской национальной лаборатории Министерства энергетики США и предложил руководителю работ по биочипам директору Института академику Андрею Мирзабекову и двум его сотрудникам переехать в Америку.
Таким образом, по инициативе российских ученых в Аргоне была организована совместная лаборатория, а директор Института молекулярной биологии РАН стал по совместительству директором Центра биочипов в отделе механистической биологии этой лаборатории.
На первых порах Центру выделили сто тысяч долларов, но потом нужно было действовать по заведенному на Западе пути - получать гранты, заключать коммерческие соглашения с компаниями, в общем, добывать деньги самим. Несмотря на практически полное отсутствие у нового руководства опыта в подобных делах, оно успешно справилось со всеми трудностями. Лаборатория сотрудничала более чем с двадцатью научными учреждениями и фирмами. Даже с такой мощной корпорацией, как Motorola. За шесть лет ее сотрудники опубликовали около сорока работ, получили 15 патентов и заработали по контрактам с частными фирмами и государственными учреждениями, в том числе с Управлением перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (Defence Advanced Research Project Agency - DARPA) Министерства обороны США, более 20 миллионов долларов. Кроме развития работ в избранном направлении, российский институт получил средства на обзаведение самым современным оборудованием, позволяющим ему вести исследования в наиболее перспективных областях мировой науки.
К сожалению, взаимная эйфория американских и российских ученых длилась всего шесть лет. После этого срока контракт с Аргонской лабораторией не был продлен.
Сначала Motorola, столкнувшись с серьезными экономическими проблемами, прекратила финансирование работ по биочипам, а затем за нею последовало и DARPA, посчитавшее, что научная часть разработки биочипов успешно завершена и пришло время заняться их практическим использованием.
Сейчас в мире биочипами занимается более пятидесяти фирм. Эта техника стремительно развивается, и рынок биочипов оценивается в десятки миллиардов долларов. На этом рынке произошло «естественное» разделение функций между двумя основными разработчиками. В Соединенных Штатах производят достаточно сложные и дорогие биочипы стоимостью от 400 и до нескольких тысяч долларов, а в России с учетом потребностей страны создают довольно простые системы, которые изготовляются по несложной технологии.
В частности, москвичи выпускают биочипы для диагностики лекарственно устойчивых форм туберкулеза. Как известно, одно время казалось, что туберкулез полностью побежден. Однако природа в ответ на новые лекарства создала мутантные формы возбудителя туберкулеза, устойчивые к этим препаратам. Ежегодно в мире около 30 миллионов людей заражаются туберкулезом и около двух от него умирают. Сейчас известно примерно 40 мутантных штаммов бактерии туберкулеза, в которых генетически закреплена устойчивость к действию лекарств так называемого первого ряда.
«Противотуберкулезный» биочип может всего за сутки (а в перспективе - за два часа) выявить формы болезни, устойчивые к определенным антибиотикам. Картинка свечения ячеек дает точный ответ на вопрос, какой именно из десятков мутантных штаммов бактерии «поселился» у данного пациента. Традиционный же способ диагностики требует на это как минимум пять-шесть недель. В течение этого времени пациенту могут давать обычные лекарства, которые не только не оказывают положительного действия, но и ослабляют и без того подорванное здоровье. Чтобы этого не происходило, России нужно ежегодно получать до двух миллионов биочипов на туберкулез. Кстати, проект диагностики лекарственно-устойчивых штаммов туберкулеза также не обошелся без участия американских коллег. Его в значительной степени финансирует Министерство здравоохранения Соединенных Штатов.
Российские исследователи освоили еще одну возможную сферу применения биочипов - диагностику лейкозов, вызванных хромосомными перестройками в ядрах клеток кроветворной ткани. Этот метод позволяет идентифицировать характер лейкемии и тем самым выбрать наиболее эффективный способ лечения.
В Москве также разработали биочипы, которые применяются для диагностики оспы, холеры, гепатита, СПИДа, венерических заболеваний, выявления других особо опасных инфекций, вирусологического анализа донорской крови и так далее. Есть здесь и наработки по применению микрочипов для определения концентрации канцерогенных веществ в продуктах питания, мониторинга окружающей среды и многие другие.
Создание биочипов и на их базе биологических компьютеров позволит биологам не только обрабатывать имеющуюся информацию, но и получать совершенно новую. Например, сейчас фирма Affymetrix создала биочипы, которые позволяют изучать активность всех генов человека. То же можно делать на животных, на бактериях. То есть, создав генетический портрет индивида, можно понять, какой ген на что влияет. Одно из практических применений этой технологии - выяснение того, как действует и действует ли вообще то или иное лекарство на больного.
Недавно швейцарский фармакологический концерн Roche начал поставку на американский рынок созданного фирмой Affymetrix первого в мире биочипа, с помощью которого врач может заранее определить, насколько эффективным будет тот или иной препарат для данного пациента и какие побочные реакции он может у него вызвать. Источником информации служит капля крови или мазок со слизистой в ротовой полости пациента. Биочип анализирует мутации двух генов, играющих важную роль в усвоении примерно четверти всех продаваемых по рецепту медикаментов - например, антидепрессантов и средств, снижающих кровяное давление.
До сих пор при назначении лекарств врачи вынуждены были действовать практически вслепую, методом проб и ошибок. А ведь только в Соединенных Штатах ежегодно регистрируется около двух миллионов случаев непереносимости медикаментов, из которых 100 тысяч приводят к летальному исходу. Эксперты полагают, что использование биочипов значительно снизит этот печальный итог.
«Техника биочипов развивается экспоненциально, и сейчас мы только в самом начале этого процесса, - говорит академик Мирзабеков. - Эта золотая жила даже в нашем случае выработана всего лишь на 5-10 процентов. Например, в геноме человека три миллиарда нуклеотидов. При этом мы отличаемся друг от друга «всего» тремя миллионами. Эти три миллиона определяют все: индивидуальность, склонности, привычки, чувствительность к лекарственным препаратам, алкоголю. Наша задача - сделать биочипы, которые для каждого из нас позволят выявлять эти различия».