українські біочіпи
Автор - Рано Кравченко
 | Два місяці тому в Україні було створено перше комерційне підприємство з виробництва біочипів. Унікальні технології дозволяють, серед іншого, за лічені години проаналізувати генетичні мутації і тим самим визначити схильність до ракових захворювань. Протягом дня можна провести діагностику туберкульозу, тоді як інші методи потребують кількох тижнів і навіть місяців. Примітно, що в основі цих розробок лежать дослідження вітчизняних вчених, які під час економічної кризи 90-х років відстояли права України на оригінальні ідеї, контроль над якими хотіли отримати компанії США. |
Такі різні
Футурологи давно заявляли, що в майбутньому в організм людини впроваджуватимуть біочіпи, які здійснюють постійне спостереження і транслюють отримані дані лікарям. Вже сьогодні є ряд подібних розробок, проте більшість з них відноситься до однопараметричних чіпів, що «моніторять» лише одну характеристику, наприклад, рівень цукру в крові, кислотність або температуру.
Подібні мікроприлади є електронними пристроями, які зазвичай використовують фізичні методи аналізу. Вони можуть вводитися безпосередньо в організм або встановлюватись на медичні інструменти. Так, наприклад, на кінчик хірургічного інструменту можуть бути поміщені кілька різних однопараметричних чіпів, кожен з яких інформуватиме про свою характеристику.
На відміну від цього виду чіпів, розробки українського Інституту молекулярної біології (ІМБ) є інструментами хімічного багатопараметричного аналізу та дають інформацію одразу про декілька характеристик зразка. Так, наприклад, за допомогою однієї платівки розміром із поштовумарку можна отримати дані про кілька тисяч генів або про групу властивостей збудника. Іншою відмінністю вітчизняних технологій є можливість роботи з вже взятими зразками, тому вводити біочіпи в організм не обов'язково.
За допомогою біочіпів українського виробництва один спеціаліст може провести дослідження 1000 зразків на день. Аналіз кожного з них займає 15 секунд плюс 2-3 хвилини на те, щоб зафіксувати результати. Попередня робота триває 12 годин, проте цей фактор не є серйозним обмеженням, оскільки готуватися до аналізу можуть сотні зразків одночасно.
Як народжувався український биочип
Основу нинішньої технології виробництва биочипів було незалежно розроблено наприкінці 80-х років двома групами дослідників – югославами та українцями, а також британським ученим. Історія створення «українського биочипа» пов'язана з вітчизняною командою під керівництвом директора ІМБ академіка РАН Андрія Мірзабекова (що нещодавно пішов із життя). Югославську групу незабаром запросили працювати у США, але довести теоретичні задуми до реалізації не зуміла і розпалася. Британець продав технологію фірмі, яка виробляє діагностичне обладнання, але її також не реалізували.
На початку 90-х років академік Мірзабеков зібрав у Москві круглий стіл за участю провідних зарубіжних фахівців, яким було показано працюючий биочип. Його побачив, зокрема, і Чарльз Кантор, один із керівників міжнародної програми «Геном людини». Після того, як пан Кантор повірив в ідею, почалася «перегонка» міжнародних компаній та інститутів за лідерство на ринку біочипів, що зароджується.
У середині 90-х років, коли в Україні настала економічна криза і науку майже перестали фінансувати, академікаМірзабекова запросили до Аргоннської національної лабораторії (Чикаго, США). У відповідь на пропозицію він заявив, що працюватиме там лише за умови створення спільної дослідницької групи, що включає американських фахівців, а також українських співробітників з його лабораторії в ІМБ, яка на той час налічує 30 осіб. Спочатку американці не погоджувалися, але зрештою прийняли поставлену умову. Протягом 5-6 років, коли дослідження в галузі біочіпів проводилися спільно, фінансування цієї групи коштувало кілька мільйонів доларів. Проект контролював Департамент енергетики США, який свого часу займався розробкою атомної бомби.
Американцям не подобалися два аспекти співпраці з українськими вченими. По-перше, вони хотіли, щоб наші фахівці працювали в США на постійній основі і під контролем - тоді плоди їхньої праці повністю належали б Штатам. Американці навіть умовляли дослідників залишитися у США та отримати громадянство. Мірзабеков і частина його колег, навпаки, хотіли працювати «вахтовим» методом. По-друге, американці були незадоволені тим, що керує проектом не їхній співвітчизник, а іноземний учений, який половину свого часу проводить в Україні. В результаті група розкололася: частина дослідників залишилася у США, інша під керівництвом Мірзабекова повернулася до України.
Базовий патент на біочіпи, що об'єднує в одному пакеті кілька технологій, розроблених в Аргоннській лабораторії, належав Україні. Однак право використовувати цей патент купили Motorola та НР. За угодою з керівництвом Аргонського національної лабораторії, 50% доходів від патентів надходило їй, 50% - до Московського інституту молекулярної біології.
Компаніям, які викупили технологію у вчених, не подобалося, що виплати закористування патентом збільшувалися у геометричній прогресії. Якщо до комерційного запуску проекту вони платили лише за використання технології, то згодом додалися ще й виплати відсотків доходів. Після цього Motorola та НР зареєстрували свій патент на модифіковану технологію. Фахівці з ІМБ хотіли подати до суду, але, можливо, через особливості менталітету розгляду не відбулося. Натомість групою академіка Мірзабекова було розроблено та запатентовано досконалішу технологію біочіпів.
Нині Інститутом молекулярної біології (ІМБ) ім. Енгельгардта засновано компанію "Біочіп-ІМБ" (Biochip-IMB), керівником якої став Віктор Барський.
Численні цілі
Повідомлення про те, що туберкульоз – колосальна проблема України, останніми роками звучать все частіше. Число страждаючих на цю хворобу в нашій країні постійно збільшується. Діагностика звичайними методами триває 10 тижнів, протягом яких пацієнт займає ліжко-місце у лікарні та, можливо, заражає оточуючих. Найефективніший західний метод діагностики туберкульозу дозволяє поставити точний діагноз за два тижні після взяття проб. Метод із використанням українських биочипів дозволяє зробити це за один день.
За словами директора Біочіпа-ІМБ Віктора Барського, його компанія уклала угоду з головним управлінням виконання покарань міністерства юстиції України про діагностику туберкульозу у в'язнів. Як відомо, багато українських в'язнів страждають на туберкульоз через погані умови утримання та неякісного лікування, причому «зони» є джерелом зараження і для жителів прилеглих територій.
Українські вчені мають і чіпи, здатні за генами людини визначати його схильність до раку (вона виявляєтьсяу 60% хворих на рак). Однак, оскільки в цьому випадку технологія біочіпів дозволяє виявити лише ймовірність хвороби, ці чіпи не піддаються сертифікації. Наразі керівництво «Біочип-ІМБ» планує розпочати проект із «Першим медінститутом» щодо визначення ефективності чіпів при дослідженні матеріалу від померлих хворих із підтвердженим діагнозом «рак». З іншого боку, нині у процесі сертифікації перебуває чіп для діагностики лейкемії.
Оскільки існують не лише генні, а й білкові онкомаркери (молекули, що сигналізують про рак), фахівці «Біочіп-ІМБ» розробили відповідний біочіп. Однак на цьому ринку є досить ефективні конкуруючі методики. Те саме стосується біозондів, що визначають сумісність при переливанні крові, що аналізують організм пацієнтів на гепатит та СНІД. З цієї причини виробництво подібних чіпів в Україні не планується.
Натомість у галузі діагностики грипу та визначення його штамів у вітчизняного ринку широкі перспективи. українські вчені вже отримали грант американського центру з контролю захворювань (CDC) для спільної роботи щодо виявлення штамів вірусів грипу. Однак комерційне виробництво таких чіпів найближчим часом також не планується.
Щодо технологій боротьби з біотероризмом, то на думку пана Барського, керівництво України не дуже «хвилюється» з цього приводу. «У нас є чіпи, що дозволяють визначати найбільш ймовірних для використання як біозброю збудників – сибірки, віспи, чуми та бруцельозу, - проте наша держава на відміну від американської влади поки що не виявляє інтересу до цих розробок,. США ще в 80-х роках пропонували нашим фахівцям зайнятися створенням чіпа для визначення суперечки сибірки».
У США українські біочіпизастосовуються поки що лише в наукових цілях у 8-10 організаціях, у тому числі - у Вашингтонському університеті, інституті Джона Гопкінса та Мерілендському університеті. «Біочип-ІМБ» поставив технологію та обладнання і до Стенфордського університету в рамках проекту з знаходження у слині людини нових мікроорганізмів.
українські біочіпи можуть працювати і дистанційно. Біочіп-ІМБ поставив свої технології та обладнання в Університет Джорджа Вашингтона в Сіетлі, а також в американську організацію Grand CRDF, яка працює з NASA. Останній проект стосується можливості виявлення життя поза Землею, що пов'язане з необхідністю багатопараметричного аналізу за допомогою автономної системи.
Основи технології
У всіх багатопараметричних біочипах використовують будь-який механізм хімічної взаємодії. Помічені люмінесцентними барвниками молекули досліджуваного зразка з'єднуються зі своєю «парою» (мікрозондом), вміщеною в одну з кількох тисяч осередків на чіпі. Наприклад, нитки ДНК поєднуються зі своєю компліментарною парою, антиген зі своїм антитілом, субстрат зі своїм ферментом. Наявність тієї чи іншої речовини або гена в зразку визначають за люмінесцентним світінням на чіпі, що прореагував.
Площа биочипа зазвичай трохи більше квадратного сантиметра
Мікрозонди, які повинні взаємодіяти із зразком, наносять на підкладку із пластику чи скла розміром не більше поштової марки. Кожен мікрозонд має форму крапельки близько 100 мікрон у поперечнику. Всі комірки одного макрозонда однакові за розміром і розташовуються із щільністю 10-30 «крапельок» на 1 кв. мм. Ті чіпи, у яких проходить ферментативна реакція, мають більш рідкісне розташування осередків, ті, у яких йде ДНК-реакція - частіше. Така технологія дозволяє наодному биочипе розмістити аналізатор практично всього геному людини - від 30 до 100 тисяч генів. При цьому детектується наявність ділянок ДНК завдовжки від шести до кількох тисяч нуклеотидів залежно від поставленого завдання.
Зразок можна мітити не лише люмінесцентними барвниками. Визначати зонди, що прореагували, можна і по їх електропровідності. В даний час фахівці компанії «Біочіп-ІМБ» реалізують спільний з Академією наук Франції проект із розробки технології визначення взаємодії методом мас-спектрометрії (за зростанням молекулярної ваги зондової речовини).
Виробництво зонда включає від 10 до 12 процесів, більшість з яких можна здійснювати в автоматичному режимі. У 80-х роках зонди наносили вручну - тоді щільність биочипа становила лише 2 осередки. На початку 90-х зонди стали виробляти напівавтоматично, а зараз технологія виробництва повністю автоматизована.
У «Біочип-ІМБ» не повідомляють собівартість виробництва одного биочипа, а також кількість екземплярів, що випускаються. Тим часом, в державні організації в рамках спільного проекту з МОЗ України біочіпи для діагностики туберкульозу (включаючи всі необхідні реагенти) поставляються компанією за ціною $14-15. Чіпи для визначення мутацій, що викликають лейкемію, коштують дорожче – близько $50. Вартість аналізатора - близько $14 тис.
Перспективи ринку
За даними Freedonia, ринок біочипів, супутніх послуг та обладнання тільки в США зростатиме щорічно на 20%, досягнувши $2,1 млрд. у 2008 р. З них $875 млн. припадатиме власне на біочіпи, а $1,2 млрд. – на інструменти, реагенти, програмні засоби та послуги. На думку аналітиків компанії, зростання ринку (особливо в секторі дослідження генів табілків), призведе до відкриття нових ліків та до успіхів у боротьбі з небезпечними хворобами. Прогнозується також зміщення у бік виробництва чіпів для синтезу нових білків.
На думку директора «Біочип-ІМБ» Віктора Барського, на ринку біочіпів особливо жорсткі умови спостерігаються в секторі дослідження білків, оскільки тут є чимало інших, не менш ефективних методів (наприклад, плашковий імуноаналіз, метод паперової фореграми та ін.). Ринок биочипов на дослідження ДНК, на його думку, розвивається швидше, оскільки тут менше конкуренція коїться з іншими методиками, отже сприятливіші умови. Саме на цей сегмент варто робити ставку вітчизняним виробникам.