Новости

6 Февраля, 2020 19:11

В России разработали наноматериалы для экспресс-ДНК-диагностики

Группа ученых под руководством Максима Никитина из МФТИ представила уникальный по своим свойствам «умный» материал, который может быть использован как для экспресс-ДНК-анализа, так и для создания нового поколения средств лечения рака и других сложных заболеваний.
Фото: Андрей Бабёнышев, аспирант МФТИ, загружает образцы в сканирующий электронный микроскоп. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Более ста лет человечество пытается создать «волшебную пулю», концепцию которой впервые предложил немецкий врач Пауль Эрлих. Идея проста: в организм вводят «умные» частицы, которые сами находят, распознают и сразу лечат болезнь. Над реализацией этой смелой идеи ученые бьются до сих пор.

В лаборатории нанобиотехнологий Московского физико-технического института совместно с исследователями из Института общей физики РАН продвинулись в решении этой задачи особенно далеко. В недавно вышедшей работе, опубликованной в журнале ACS Nano (IF = 13,903), группа российских авторов (без зарубежных аффилиаций) под руководством Максима Никитина из МФТИ представила уникальный по своим свойствам «умный» материал, который может быть использован как для экспресс-ДНК-анализа, так и для создания нового поколения средств лечения рака и других сложных заболеваний.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

Доставка лекарств к пораженным клеткам организма на сегодняшний день является слабым звеном (узким «бутылочным горлышком») диагностики и терапии. В идеале лекарство должно попадать адресно — только в «больные» клетки, не нанося при этом никакого вреда здоровым. Отличить пораженную болезнью (например, раком) клетку от здоровой возможно по различным соединениям (маркерам) на ее поверхности или в ее микроокружении — продуктам жизнедеятельности или различным сигналам, передаваемым другим клеткам организма.

Существующие лекарства выделяют больные клетки по одному такому маркеру. Однако почти всегда маркеры больной клетки есть и на здоровых, только в меньшем количестве. Именно поэтому существующие системы адресной доставки несовершенны.

Для увеличения специфичности доставки лекарств необходимы «умные» (англ. «smart») материалы, способные анализировать сразу несколько параметров своего окружения и более точно находить мишень. «Общепринятые способы доставки лекарств напоминают письмо с указанием города и улицы, но без номера дома и квартиры, — комментирует руководитель исследования Максим Никитин. — Для эффективной доставки нужно уметь анализировать больше параметров». В 2014 году в журнале Nature Nanotechnology Максимом Никитиным и его соавторами были опубликованы результаты работы, в которой они впервые наделили нано- и микрочастицы функцией производить любые логические вычисления с помощью биохимических реакций. Такие автономные нанокомпьютеры способны идентифицировать мишень намного лучше за счет анализа многих ее параметров.

За последние годы область подобных «биокомпьютинговых» материалов существенно развилась. В 2018 году, когда количество работ стало уже больше многих сотен, наиболее авторитетное научное издание в области нанотехнологий Chemical Reviews (IF = 54,301) опубликовало совместный обзор ученых из лаборатории нанобиотехнологий МФТИ и лаборатории биофотоники Института общей физики РАН на тему современного состояния в области наноробототехники и биокомпьютинга «Advanced Smart Nanomaterials with Integrated Logic-Gating and Biocomputing: Dawn of Theranostic Nanorobots» («Передовые умные наноматериалы со встроенными возможностями выполнения логических операций и биокомпьютинга: на заре эпохи тераностических нанороботов»).

Несмотря на большое количество усилий, потраченное множеством исследовательских групп во всем мире для расширения функционала таких материалов, их главным слабым местом оставалась низкая чувствительность к маркерам заболеваний, что не позволяло планировать их реальные применения.

В нынешней работе российским ученым удалось сделать прорыв. Они разработали уникальный умный материал, который обладает сверхчувствительностью к ДНК-сигналам, не просто на несколько порядков превышающей чувствительность всех остальных материалов, но и лучшей, чем абсолютное большинство существующих экспресс-ДНК-тестов.

Добиться этого выдающегося результата исследователям помог обнаруженный ими феномен необычного поведения ДНК-молекул на поверхности наночастиц.

В процессе работы авторы пришивали молекулу одноцепочечной ДНК одним концом на поверхность наночастиц. Важно, что эта ДНК-молекула не имела двухцепочечных областей, образующихся за счет спаривания фрагментов своей же цепи (так называемых «шпилек»). На другой конец нити ДНК был пришит рецептор, распознающий маркеры на поверхности клеток. К удивлению исследователей, рецептор никак не хотел связываться с мишенью. И это не было ошибкой. Возникла гипотеза, что на поверхности наночастицы одноцепочечная нить ДНК «прилипает» к поверхности и самопроизвольно сворачивается в клубок, в результате чего рецептор «прячется» на поверхности наночастицы (см. рисунок 1). Гипотеза подтвердилась, когда к такой частице добавили другую небольшую нить ДНК, комплементарную к ДНК на наночастице, — рецептор мгновенно «активировался» и связывался с мишенью. За счет образования комплементарных пар между нуклеотидами две нити образовывали жесткую двойную спираль, или, как говорят ученые, дуплекс. В результате нить ДНК, подобно языку хамелеона, разворачивалась, и рецептор начинал узнавать клеточный маркер.


Рисунок 1: сверхчувствительный наноматериал. Источник: ACS Nano

По поведению такая конструкция напоминает известные в науке «молекулярные маяки» (см. рисунок 2). Их принцип работы состоит в том, что за сворачивание/разворачивание отвечает «шпилька», то есть образование одним концом одноцепочечной нити ДНК дуплекса с другим концом. Конкурируя за связывание с концами маяка, комплементарная ДНК может разрушить шпильку и развернуть ДНК маяка.


Рисунок 2: активация рецептора на поверхности наночастиц при добавлении комплементарной нити ДНК. Источник: пресс-служба МФТИ

В феномене с наночастицей достигается принципиальное и крайне полезное отличие. «Это уникальный искусственный интерфейс, который делает независимыми силу сворачивания ДНК (взаимодействие ДНК с поверхностью) и силу, ее разворачивающую (образование дуплекса). За счет такого разделения мы кардинально улучшаем чувствительность», — замечает первый автор статьи Владимир Черкасов, ведущий специалист лаборатории нанобиотехнологий МФТИ.


Фото: Владимир Черкасов, ведущий научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологий МФТИ, делает тестовые полоски для экспресс-ДНК-диагностики. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

В опубликованной статье авторы продемонстрировали агенты, способные без амплификации ДНК и/или сигнала детектировать ДНК в концентрации вплоть до 30 фемтомоль в литре (фемто = 10−15). 


Рисунок: сравнение молекулярных маяков и разработанных авторами исследования умных материалов. Источник: пресс-служба МФТИ

Поясняет соавтор работы, аспирантка лаборатории нанобиотехнологий МФТИ Елизавета Мочалова: «Такая чувствительность была продемонстрирована в крайне простом в использовании иммунохроматографическом анализе, известном в формате теста на беременность. Подобные тесты могут быть проведены без использования чистых лабораторных помещений и сложного оборудования, как правило необходимых для существующих технологий ДНК-анализа. Эта технология подходит для быстрого скрининга инфекционных заболеваний, домашнего анализа пищевых продуктов и тому подобного».

Фото: Елизавета Мочалова, аспирантка МФТИ, готовит образцы для проверки эффективности распознавания раковых клеток созданными наноагентами. Источник: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Кроме того, авторы показали применимость технологии для создания умных наноагентов для распознавание раковых клеток в зависимости от содержания малых ДНК в их микроокружении. Хотя еще совсем недавно считалось, что малые нуклеиновые кислоты — это бессмысленные «ошметки» больших функциональных молекул, сейчас стало понятно, что малые РНК являются ключевыми регуляторами многих процессов в живых клетках. В настоящее время идет активная идентификация подобных РНК, являющихся маркерами заболеваний.

Максим Никитин, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, комментирует: «Интересно, что чем меньше длина детектируемых нуклеиновых кислот, тем меньше у данной технологии конкурентов. Вплоть до того, что на данный момент не существует агентов, которые способны были бы детектировать последовательности 6−9 оснований с подобной чувствительностью. Мы уже сейчас можем создавать агенты, управляемые хорошо изученными малыми РНК (длиной 17−25 оснований). Но еще более захватывающе то, что наш метод позволяет впервые прозондировать микроокружение клеток и понять, не являются ли малые РНК меньшей длины полезными индикаторами заболеваний, а не «мусором», как до сих пор все еще считается из-за сложностей их детекции».

Разработанная технология открывает новые перспективы в области геномных технологий — как с точки зрения экспресс-ДНК-диагностики вне лабораторных условий (на дому, в «полевых условиях» и т. п.), так и для построения терапевтических наноматериалов нового поколения. Действительно, в последние годы были сделаны колоссальные прорывы в исследовании генома и его редактировании, однако данная технология может позволить решить все еще актуальную проблему доставки лекарств в клетки только с определенным генетическим профилем микроокружения.

Исследователи планируют продолжить развитие данной технологии, в том числе в рамках недавно созданного Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ. Материал предоставлен пресс-службой МФТИ.

25 Февраля, 2020
Биоритмы мозга выдали движения рук человека
Ученые выяснили, что уровень "хаотичности" электрических сигналов, которые вырабатывает мозг человек...
14 Февраля, 2020
Разгадана загадка взаимодействия частиц, открывающих уникальные возможности для полностью оптической обработки информации
Команда ученых из Лаборатории гибридной фотоники Сколковского института науки и технологий (Сколтех)...