Ученый из Ижевска разработал биочип для исследования клеток крови. Изобретение позволяет в короткие сроки и по значительно низкой цене, чем это делается существующими методами, диагностировать опасные заболевания. Все исследования с применением данных устройств проводятся вне организма при изучении взятых для анализа образцов крови или костного мозга. Применение этих биочипов при диспансеризации населения поможет выявить имеющиеся патологии на ранних стадиях. Однако, когда разработка будет применяться в практической медицине, неизвестно. Для ее повсеместного использования в лечебных учреждениях нужно преодолеть массу препятствий и найти инвесторов.
Сегодня существует множество опасных заболеваний крови (лейкозы, лимфомы) и различных видов патологий, связанных с нарушениями со стороны клеточного звена иммунной системы, диагностика которых обходится дорого, поэтому возникла задача сделать что-то предельно простое и дешевое. Работу над иммунологическими биочипами доктор медицинских наук Александр Шишкин начал в 2003 году в Москве в Гематологическом научном центре РАМН, в 2008 году он продолжил ее будучи заведующим учебно-экспериментальной лабораторией Ижевской государственной медакадемии.
Что представляет собой биочип
Обычно термин «биочип» вызывает у людей вполне объяснимую негативную реакцию. Александр Шишкин спешит всех успокоить и уверяет, что никому и ничего вживлять или прикреплять на кожу не будут. «В нашем случае чип предназначен для выполнения исследований вне организма, — говорит ученый. — Он представляет собой маленькую прозрачную, химически стойкую, оптически однородную пластиночку. На нее нанесено несколько десятков тестовых участков, в каждом из них за счет абсорбции или ковалентного связывания иммобилизованы молекулы антител (т. е. молекулы «пришиты» к поверхности пластика). В составе данной диагностической системы не используется никакой микроэлектроники. Ее работа основана на использовании общих принципов одного из вариантов твердофазного иммунного анализа. Эта тест-система предназначена для диагностических исследований образцов взятого на анализ биологического материала (например, проб крови или костного мозга). С чипами радиочастотной идентификации созданные иммунологические биочипы не имеют ничего общего, кроме схожего названия. В настоящее время термин «биочип» применяется для обозначения систем самого разного назначения и устройства, в которых используются принципы миниатюризации».
Созданная тест-система позволяет оценивать содержание в исследуемом материале различных типов клеток, а также дает возможность установить, все ли исследуемые клетки относятся к нормальным типам или же среди них имеются опухолевые. Если присутствуют опухолевые клетки, то можно точно их идентифицировать и установить диагноз конкретного гематологического заболевания. На нормальных клетках каждого типа присутствует свой набор антигенов, на опухолевых — свой. Также различные типы клеток отличаются друг от друга и по дополнительно определяемым признакам.
Преимущества над другими методами
Одна такая маленькая система заменяет несколько десятков очень дорогих анализов. В настоящее время для определения антигенов используют метод проточной цитометрии, но он дорогой. Цена одного анализа с определением всего нескольких антигенов может достигать нескольких тысяч рублей. Самая дешевая установка для проведения анализа до кризиса стоила порядка 1,5 млн рублей, а более эффективное оборудование — в несколько раз дороже. При этом данные приборы преимущественно производятся двумя американскими компаниями. В Ижевске есть несколько таких аппаратов.
Для проведения подобной диагностики также применяются иммунофлюоресцентные и иммуноцитохимические методы, где не требуется столь дорогого оборудования, но здесь большой расход антител. К примеру, маленькая пробирочка 1/20 мл такого раствора стоит порядка 500-1500 евро.
«Наша задача была избавиться от использования дорогостоящего оборудования, а также во много раз сократить расход антител, чего мы и добились. При этом качество по некоторым показателям даже улучшилось, — рассказывает Александр Шишкин. — По точности мы немножко уступаем методу проточной цитометрии, но некритично. А по количеству дополнительно определяемых диагностически важных параметров мы существенно превосходим его, т. е. на нашей системе можно к тому же посмотреть морфологию клеток и цитохимические признаки при дополнительной обработке реагентами».
Анализ крови с использованием биочипа проводится быстрее, чем при других методах, и занимает четыре часа без учета обработки результатов. Для точного определения процентного содержания антигенов нужно шесть часов. Также при новом методе снижается расход дорогостоящих антител от 50 раз до 10 тысяч раз в зависимости от способа, которым были изготовлены биочипы.
Есть возможности для дальнейшего совершенствования системы с помощью дополнительных исследований. «Со связавшимися клетками мы можем делать почти все что угодно и определять практически любые дополнительные показатели, которые нас интересуют. Мы также можем увеличивать количество тестовых участков, сейчас их на подложке несколько десятков, потому что ровно столько денег хватило на закупку разных антител. Можно сделать несколько сотен», — говорит Александр Шишкин. Определение большого числа антигенов является важным для оценки прогноза течения некоторых тяжелых гематологических заболеваний.
Где может применяться биочип
Область применения биочипов широка. Их возможно использовать в военной медицине, например, для более эффективной оценки степени тяжести поражения костного мозга при острой лучевой болезни, которая возникает под воздействием радиации.
Кроме того, с помощью биочипов можно проводить более качественную диагностику патологий клеточного звена иммунитета, т. е. использовать в клинической иммунологии.
В настоящее время разработка успешно апробирована в гематологии и показала свою высокую эффективность для иммунодиагностики лейкозов и неходжкинских лимфом.
Сейчас система, разработанная ижевским ученым, применима при исследовании клеток крови, но, изменив набор антител, можно получить системы для исследования практически любых других клеток.
Самые простые варианты разработки можно было бы внедрить в работу клиник и ЦРБ, т. е. практически в любой клинико-диагностической лаборатории она может применяться. Лаборанту достаточно уметь обращаться с автоматической пипеткой, микроскопом и центрифугой — остальному за пару дней можно обучить. Выполнять расчеты тоже несложно, есть своя методика. Если процесс вычисления будет автоматизирован, то достаточно будет вводить в компьютер микрофотографии тестовых участков, дальше все будет выполняться автоматически.
Несмотря на все свои достоинства, новый метод имеет ограничения. Так, он позволяет определять только поверхностные антигены клеток. В этом он уступает методу проточной цитометрии, при котором можно определять еще и внутриклеточные антигены. В иммунологии, гематологии и в той области военной медицины, которую мы указывали, наибольшее значение имеют поверхностные антигены, и биочипы сюда идеально бы вписались. В онкологии же большее диагностическое значение имеют внутриклеточные антигены. По словам Александра Шишкина, эту проблему тоже возможно решить, если добавить один дополнительный этап к базовой методике проведения анализа.
Для внедрения биочипов нужны инвестиции
Интерес к этой теме проявляют и ученые других стран, активно разрабатываются новые методики. Австралийцы уже вышли на рынок. Отечественная разработка отличается тем, что в методику проведения анализа изначально был заложен «модульный принцип», позволяющий использовать ее для многих целей и получать большой объем дополнительной, важной для постановки диагноза информации. Ни одна из зарубежных разработок не обеспечивает такой многофункциональности.
«У нас эта тема была готова семь лет назад, но так она и осталась. Сейчас к ней снова возник интерес в связи с программой правительства по поддержке инноваций. Но проявить интерес мало, нужно внести инвестиции», — отмечает ижевский ученый.
Любого инвестора интересует окупаемость, срок которой зависит от того, когда он сможет производить это серийно и выводить на рынок. Для этого необходимо организовать опытное производство, в котором используется сертифицированное оборудование. После можно выходить на испытания, проводить медицинские исследования системы и т. д. На это может уйти несколько лет.
Себестоимость одного биочипа в зависимости от объемов производства и используемого оборудования будет составлять от нескольких копеек до 50 рублей, а себестоимость одного анализа с учетом оплаты труда персонала — 500-600 рублей вместо нескольких тысяч за анализы, проводимые существующими методами сегодня.
Сейчас ученый и его команда из трех человек, насколько позволяют финансы, работают над усовершенствованием биочипов. В настоящее время есть заинтересовавшиеся инвесторы. «Может, в этом случае, несмотря на кризис, что-то и получится», — надеется Александр Шишкин.
В России внедряется менее 1% разработок и изобретений, которые были запатентованы. Возможно, ижевским ученым, создавшим иммунологические биочипы для исследования клеток крови, удастся попасть в число этих счастливчиков.