Цветовая дифференциация недугов
Клинические анализы можно проводить и вне лабораторий
 Применение биосенсоров уже в наши дни кардинально меняет технику проведения анализов и как следствие диагностику заболеваний. Размеры сенсора определяются количеством измеряемых показателей и технологическими условиями. Фото: Bayer AG
|
Каждому из нас хорошо известно, что для проведения простейшего анализа приходится идти в поликлинику, сидеть в очереди, а потом нервничать и еще несколько дней ждать, чтобы получить в конце концов клочок бумаги с каракулями, которые может прочитать только дипломированный врач (и вновь сидишь в очереди в коридоре поликлиники)... Во многих медицинских учреждениях до сих пор все именно так и делается — дешево и сердито.
Что же, нельзя по-другому? Нет, есть и другой, куда более быстрый, способ проведения анализов. Образцы крови, взятой у пациента, готовит квалифицированный лаборант в специально оборудованной лаборатории, а затем еще более квалифицированный инженер проводит анализ подготовленных образцов с помощью высокотехнологичного прибора, купленного за полмиллиона долларов. Для серьезных научных исследований — обычное дело, но для повседневных клинических анализов — дороговато.
Можно все организовать и проще и дешевле. Диабетик время от времени смотрит на вживленный в кожу миниатюрный датчик. Если цвет датчика изменился, значит, уровень глюкозы не в норме, пора делать инъекцию инсулина. Даже маленький ребенок поймет, что об изменении цвета «пятнышка» на коже надо сообщить родителям. Этот удобный и недорогой метод — не идея писателя-фантаста. .
Описанные сценки дают представление о том, на что будет похоже прохождение клинических (да и не только клинических) анализов в самом скором будущем: с одной стороны, будет продолжаться повышение чувствительности и точности методов, требующих квалифицированного персонала и дорогостоящей техники, а с другой — появление простых, дешевых и в силу этого широко распространенных методов.
Найти вредителей
Причинами многих болезней, в первую очередь врожденных или хронических, являются нарушения на молекулярном уровне (оставим в стороне огнестрельные и ножевые ранения). Проще говоря, болезни возникают из-за недостатка или избытка определенных молекул в тех или иных тканях и органах. Естественно, достоверная диагностика таких болезней требует проведения биохимических анализов — «идентификации личности» определенных молекул и определения их количества. Специалистам известны и «приметы преступников», молекулярные маркеры широчайшего круга болезней — от ревматоидного артрита до злокачественных опухолей.
 Четырехкомпонентый биосенсор, разработанный в Пенсильванском университете, будет использоваться в американской армии. С его помощью можно будет вовремя обнаружить опасное повышение концентрации глюкозы, лактозы, кислорода и молочной кислоты в крови. Фото: Craig Grimes, Penn State
|
Сейчас в мире более 180 миллионов диабетиков, и их количество, будет стремительно расти. А это значит, что уже сейчас существует огромный неудовлетворенный спрос на простые «домашние» способы контроля глюкозы в крови. Поэтому миллионы долларов инвестируются в разработку средств биохимического анализа «на дому».
Для диагностики инфекционных болезней (к примеру, гриппа, герпеса, гепатита) также необходимо опознать болезнетворного агента. Здесь ситуация еще сложнее: точная диагностика часто требует идентификации определенного штамма или типа возбудителя именно на молекулярном уровне. Дело в том, что опасные и безвредные штаммы могут отличаться только структурой определенных молекул. Например, среди десятков разновидностей вируса папилломы есть и безвредные, и вызывающие рак матки. Различаются они только особенностями структуры ДНК (поэтому при папилломах применяют «ДНК-диагностику»).
Для диагностики и многих других болезней, а также при анализе продуктов питания, донорских материалов, лекарственных препаратов и многих других объектов необходимо «опознание» определенных молекул среди бесконечного разнообразия очень похожих. «Свидетелями», которые опознают «подозреваемые» молекулы, обычно служат специально полученные белки-антитела или ДНК-зонды. Каждый из них имеет уникальную пространственную структуру и связывается только со своей молекулой-мишенью («распознает» ее), аналогично тому, как каждый ключ подходит только к «своему» замку. Однако одного «опознания» мало — «свидетели» должны подать сигнал о том, что встретили «подозреваемого» (ученые называют такие молекулы «мишенями»), и в этом главная сложность. Чтобы узнавание можно было зарегистрировать, надо пометить молекулу-«свидетель», которая будет распознавать молекулу-«подозреваемого».
Плохой молекуле — «черную метку»
Легче всего пометить радиоактивным изотопом — тогда можно детектировать ничтожные количества «мишени». Так и делали лет 10–40 назад. Но этот метод влечет за собой массу проблем: подходящие изотопы недешевы, желающих каждый день работать с радиоактивными материалами найти непросто, использованные изотопы надо куда-то девать, а самое главное — вводить изотопы в организм пациента в диагностических целях тоже, мягко говоря, не очень полезно...
Хотелось бы найти какие-то другие способы пометить молекулы. В настоящее время главной альтернативой изотопам являются ферменты — белковые молекулы, способные многократно ускорять какую-либо строго определенную химическую реакцию. В анализируемые образцы добавляют специально синтезированное вещество — субстрат фермента, который под действием данного фермента превращается в другое вещество, окрашенное. В результате о наличии «подозреваемого» в образце сигнализирует постепенно проявляющееся окрашивание образца. Окрашивание можно определить на глаз или зарегистрировать с помощью несложного прибора — «ридера».
Но не все так просто. Ферменты — большие, сложные и нестабильные молекулы. Их получение — дорогостоящая процедура. К тому же ферменты весьма капризны. Они могут терять свою активность (способность ускорять химическую реакцию) под действием многих химических веществ — ингибиторов, при нагревании или просто при хранении при температуре выше минус 20°С.
Существенные преимущества перед ферментативными метками имеют флуоресцентные молекулы, способные светиться под действием внешнего освещения. По чувствительности современные флуоресцентные метки приближаются к изотопным и ферментативным конкурентам, но при этом — дешевы, безвредны, стабильны. В отличие от радиации, не обязательно использовать сложное оборудование для их детекции. В принципе, сигнал можно оценивать невооруженным глазом. Но и флуоресцентные метки, использовавшиеся до самого последнего времени, имеют существенные недостатки.
 Примерно так выглядит пространственная структура одного из белков-«свидетелей» конкавалина А. Он всегда готов «настрочить донос» на моносахарид глюкозы — маннозу. Иллюстрация: Protein Data Bank
|
Другие параметры флуоресценции менее «капризны», чем интенсивность, но требуют более сложного оборудования для регистрации. В научно-исследовательских институтах со всеми этими недостатками разобраться несложно, но для повседневных анализов в поликлинике или на дому у пациента этот метод не подходит.
Еще один принципиальный недостаток изотопных, ферментативных и простейших флуоресцентных меток в том, что их сигнал (радиация, появление окрашенного вещества, интенсивность флуоресценции) не зависит от того, произошло ли «узнавание» мишени мечеными молекулами. Поэтому после смешивания образца и меченых молекул необходимо отделить те меченые молекулы, которые связались с мишенью, от «лишних», не связанных с мишенью. Процедура отделения усложняет анализ и является потенциальным источником ошибок.
Цвет выявит угрозу
Принципиально новое решение предоставляют молекулы, которые были разработаны в последние годы при сотрудничестве ученых (Франция), (Турция) и других научных центров в Европе — так называемые двухволновые флуоресцентные зонды (по химической номенклатуре — 3-гидроксифлавоны и 3-гидроксихромоны).
Можно сконструировать такие молекулы, которые будут менять цвет флуоресценции пропорционально количеству разыскиваемого вещества. Если в анализируемом образце есть молекула-«подозреваемый», то новый зонд меняет не интенсивность флуоресценции, а цвет. Это значит, что на результат не повлияет ни случайное изменение количества зонда в образце из-за спонтанного разрушения молекул при хранении или из-за ошибки лаборанта, ни изменение яркости источника света. В этом случае не потребуется и специальная лампа в измерительном приборе — хватит и света от естественных источников.
 Использование двухволновых флуоресцентных молекул делают ненужным избавление от лишних «свидетелей». Более того, оно было бы даже бесполезным. Двухгорбая форма графика сохраняется при изменении концентрации. Иллюстрация автора:
|
Когда это будет возможно?
Современный уровень науки позволяет узнать очень многое о том, что делается в организме конкретного человека, но многие ли готовы заплатить за такую информацию кругленькую сумму? Геном человека (конечно, не конкретного человека, а биологического вида) расшифрован от начала до конца, но для этого десятки ведущих научных центров на протяжении десяти лет тратили миллионные бюджеты.
Вспомним историю распространения компьютеров: электронно-вычислительную машину изобрели еще в 1940-е годы, однако глобальная компьютеризация произошла только после того, как ЭВМ превратилась из монстра, занимающего сотни квадратных метров, в маленький ящик на письменном столе. Аналогичную революцию можно ожидать и в области знаний о собственном организме, когда точные методы анализа не будут избыточно сложными и безумно дорогими.
Пока мы знаем только один пример такого средства анализа, которое стало общедоступным — это тест на беременность, выполненный в виде полоски бумаги. Однако научные достижения последних лет, в том числе двухволновые флуоресцентные зонды, делают возможной разработку большого количества методов для достоверной и быстрой клинической диагностики буквально «на глаз», без дорогих приборов и радиоактивных меток. Подождем еще…
Читайте также в журнале «Вокруг Света»:
- Тело в клеточку
- Орбитали зондовой микроскопии
- Природные каверзы на уровне клетки
- Невидимые санитары
- Хороший, плохой, злой
Сергей Авилов, 20.10.2006
Новости партнёров