eng
Выпуск #1/2017
А.Ахметова, И.Яминский
Раннее обнаружение вирусов и бактерий с использованием методов нанотехнологий
Раннее обнаружение вирусов и бактерий с использованием методов нанотехнологий
Просмотры: 3916
Нанотехнологии открывают новые пути раннего обнаружения вирусных и бактериальных инфекций. Представлены два родственных метода, основанных на применении сканирующих зондовых микроскопов и пьезокерамических биочипов.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.70.74
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.70.74
Теги: biochip flow-through liquid cell scanning probe microscopy биочип проточная жидкостная ячейка сканирующий зондовый микроскоп
При возникновении инфекционного вирусного или бактериального заболевания ответственной задачей является обнаружение конкретного возбудителя. Еще важнее выявление вируса в окружающей среде, пока он не поразил растение, животное или человека. Этой цели и посвящен наш проект "Разработка сенсорных технологий молекулярной диагностики для персонифицированной медицины".
Современная персонифицированная медицина в большой степени направлена на предупреждение болезни, чтобы избежать как заболевания, так и его возможных последствий. Развитие науки и технологий позволяет создавать новые эффективные меры предупреждения и лечения инфекций. Однако и здесь возникают существенные осложнения из-за возвращения старых и возникновения новых инфекционных заболеваний, которые становятся серьезным вызовом современной медицине. Многие ученые активно участвуют в решении этих проблем.
По итогам 2016 года журнал Science определил 10 самых прорывных открытий года. В их число вошла работа доктора Дэвида Бейкера (David Baker), профессора биохимии из университета штата Вашингтон. Вместе со своей командой он научился моделировать белки и предсказывать процесс формирования их пространственных структур. Например, он смог определить, как синтезированные белки, изменяя свою конфигурацию, будут образовывать пространственные структуры. Это открытие дает импульс созданию вакцины от гриппа нового поколения. Вирусы гриппа мутируют достаточно быстро, что делает разработку эффективного для всех штаммов препарата трудновыполнимой. Но каждый штамм гриппа содержит белок гемагглютинин, который помогает ему вторгнуться в клетку-хозяина. Часть молекулы гемагглютинина, состоящая из α-спиралей, одинакова во многих штаммах. Д.Бейкер разработал новый белок, который связывается с неизменяющейся частью гемагглютинина, тем самым предотвращается вторжение вируса в клетку. В 2016 году были опубликованы результаты эксперимента с мышами, которым сначала ввели новый белок, а затем смертельную дозу вируса гриппа. В итоге экспериментов было показано, что грызуны были защищены от вируса [1].
Сканирующая зондовая микроскопия позволяет обнаруживать как бактериальные клетки (рис.1), так и отдельные вирусные частицы. На рис.2 изображены частицы вируса табачной мозаики, который активно применяют как для вирусологических исследований, так и в образовательных целях в лабораторных практикумах [2].
С целью выявления вирусов мы исследуем способность гемагглютинина прикрепляться к клеткам. В рамках проекта "Разработка сенсорных технологий молекулярной диагностики для персонифицированной медицины" создаются два прибора для обнаружения вируса гриппа А и бактерий E.coli: усовершенствованный сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и биосенсор на основе пьезокерамических кантилеверов. В обоих приборах используется специальный биочип на основе пьезокерамического диска, электроды которого покрыты сенсорным слоем. Для обнаружения вируса гриппа сенсорный слой биочипа содержит полисахариды с сиаловыми кислотами, обеспечивающими биоспецифическое связывание с гемагглютинином вируса. При обнаружении бактериальных клеток на поверхности сенсорного слоя располагаются антитела на поверхностные антигенные детерминанты клеток. Подробно о конструкции и принципе работы биосенсора и микроскопа рассказывалось в предыдущих публикациях [3–5]. В биосенсоре обнаружение биологических агентов осуществляется путем регистрации амплитуды, фазы, частоты и добротности механических колебаний биочипа. В зондовом микроскопе, помимо определения перечисленных параметров, можно проводить прямой подсчет на получаемых изображениях числа патогенов на поверхности биочипа.
Для создания работоспособной модели биосенсора в 2016 году нами были разработаны следующие ключевые элементы:
проточная жидкостная ячейка биосенсора, в которой находится биочип и циркулирует проба;
блок управления биосенсора, регистрирующий колебания биочипа и обеспечивающий передачу этой информации на компьютер;
корпус биосенсора, в котором располагается ячейка с биочипом;
держатель кантилевера для проточной жидкостной ячейки.
Существенное значение имеют электронная измерительная система и программное обеспечение. В качестве последнего выбрана многопользовательская платформа управления сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан". Программное обеспечение позволяет осуществлять поиск резонанса биочипа, определять значение его резонансной частоты. Наиболее чувствительным и помехозащищенным способом определения резонансной частоты, как было показано ранее, является метод "центра масс" [6].
В экспериментах мы используем ослабленный формальдегидом вирус гриппа H3N6 и H4N6, предоставленный Институтом полиомиелита вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова. Изображения вирусов гриппа штаммов H4N6 и H3N6 представлены на рис.3.
Для усовершенствованного сканирующего зондового микроскопа были созданы макет герметичной проточной жидкостной ячейки (рис.4) и макет головки резонансной атомно-силовой микроскопии (РАСМ). Конструкция ячейки позволяет устанавливать ее в микроскоп, а также вынимать из микроскопа в собранном состоянии без нарушения герметичности. На эту конструкцию поданы заявки на получение патентов [7, 8]. Проточная жидкостная ячейка может быть выполнена для одноразового использования. В любом случае при измерениях на сканирующем зондовом микроскопе биологические объекты – вирусы и бактерии – находятся в замкнутом изолированном пространстве.
Итоги первого года совместной разработки МГУ им. М.В.Ломоносова и НПП "Центр перспективных технологий" были представлены на выставке ВУЗПРОМЭКСПО 14–15 декабря 2016 года. На выставке были продемонстрированы: макет биосенсора – блок управления и корпус, в котором расположена проточная жидкостная ячейка с биочипом, а также макет усовершенствованного сканирующего зондового микроскопа с герметичной проточной жидкостной ячейкой (рис.5).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-04-07678 и Минобрнауки России в рамках договора № 02.G25.31.0135. Авторы благодарны за дискуссию и помощь в работе доктору биологических наук, зав. лабораторией молекулярной биологии вирусов гриппа ФГБНУ "Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М.П.Чумакова РАН" Александре Сергеевне Гамбарян.
ЛИТЕРАТУРА
Robert F. Service. Rules of the game // Science. 22 Jul 2016. Vol. 353. Is. 6297. P. 338–341. DOI: 10.1126/science.353.6297.338.
Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии // Наноиндустрия. 2014. № 2 (48). С. 46–52.
Колесов Д., Яминский И., Ахметова А., Синицына О., Мешков Г. Кантилеверные биосенсоры для обнаружения вирусов и бактерий // Наноиндустрия. 2016. № 5 (67). С. 26–34.
Колесов Д., Яминский И., Ахметова А., Синицына О., Мешков Г. Кантилеверные биосенсоры для обнаружения вирусов и бактерий // Наноиндустрия. 2016. № 4 (67). C. 26–35.
Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // Наноиндустрия. 2015. № 4 (58). C. 62–67.
Ахметова А., Гутник Н., Мешков Г., Синицына О., Яминский И., Назаров И. Биосенсор для обнаружения вирусов и бактерий в жидкостях // Наноиндустрия. 2016. № 8 (70). C. 68–73.
Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка на патент. Рег. номер 2016146597 от 29.11.2016.
Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка на патент. Рег. номер 2016146599 от 29.11.2016.
Современная персонифицированная медицина в большой степени направлена на предупреждение болезни, чтобы избежать как заболевания, так и его возможных последствий. Развитие науки и технологий позволяет создавать новые эффективные меры предупреждения и лечения инфекций. Однако и здесь возникают существенные осложнения из-за возвращения старых и возникновения новых инфекционных заболеваний, которые становятся серьезным вызовом современной медицине. Многие ученые активно участвуют в решении этих проблем.
По итогам 2016 года журнал Science определил 10 самых прорывных открытий года. В их число вошла работа доктора Дэвида Бейкера (David Baker), профессора биохимии из университета штата Вашингтон. Вместе со своей командой он научился моделировать белки и предсказывать процесс формирования их пространственных структур. Например, он смог определить, как синтезированные белки, изменяя свою конфигурацию, будут образовывать пространственные структуры. Это открытие дает импульс созданию вакцины от гриппа нового поколения. Вирусы гриппа мутируют достаточно быстро, что делает разработку эффективного для всех штаммов препарата трудновыполнимой. Но каждый штамм гриппа содержит белок гемагглютинин, который помогает ему вторгнуться в клетку-хозяина. Часть молекулы гемагглютинина, состоящая из α-спиралей, одинакова во многих штаммах. Д.Бейкер разработал новый белок, который связывается с неизменяющейся частью гемагглютинина, тем самым предотвращается вторжение вируса в клетку. В 2016 году были опубликованы результаты эксперимента с мышами, которым сначала ввели новый белок, а затем смертельную дозу вируса гриппа. В итоге экспериментов было показано, что грызуны были защищены от вируса [1].
Сканирующая зондовая микроскопия позволяет обнаруживать как бактериальные клетки (рис.1), так и отдельные вирусные частицы. На рис.2 изображены частицы вируса табачной мозаики, который активно применяют как для вирусологических исследований, так и в образовательных целях в лабораторных практикумах [2].
С целью выявления вирусов мы исследуем способность гемагглютинина прикрепляться к клеткам. В рамках проекта "Разработка сенсорных технологий молекулярной диагностики для персонифицированной медицины" создаются два прибора для обнаружения вируса гриппа А и бактерий E.coli: усовершенствованный сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и биосенсор на основе пьезокерамических кантилеверов. В обоих приборах используется специальный биочип на основе пьезокерамического диска, электроды которого покрыты сенсорным слоем. Для обнаружения вируса гриппа сенсорный слой биочипа содержит полисахариды с сиаловыми кислотами, обеспечивающими биоспецифическое связывание с гемагглютинином вируса. При обнаружении бактериальных клеток на поверхности сенсорного слоя располагаются антитела на поверхностные антигенные детерминанты клеток. Подробно о конструкции и принципе работы биосенсора и микроскопа рассказывалось в предыдущих публикациях [3–5]. В биосенсоре обнаружение биологических агентов осуществляется путем регистрации амплитуды, фазы, частоты и добротности механических колебаний биочипа. В зондовом микроскопе, помимо определения перечисленных параметров, можно проводить прямой подсчет на получаемых изображениях числа патогенов на поверхности биочипа.
Для создания работоспособной модели биосенсора в 2016 году нами были разработаны следующие ключевые элементы:
проточная жидкостная ячейка биосенсора, в которой находится биочип и циркулирует проба;
блок управления биосенсора, регистрирующий колебания биочипа и обеспечивающий передачу этой информации на компьютер;
корпус биосенсора, в котором располагается ячейка с биочипом;
держатель кантилевера для проточной жидкостной ячейки.
Существенное значение имеют электронная измерительная система и программное обеспечение. В качестве последнего выбрана многопользовательская платформа управления сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан". Программное обеспечение позволяет осуществлять поиск резонанса биочипа, определять значение его резонансной частоты. Наиболее чувствительным и помехозащищенным способом определения резонансной частоты, как было показано ранее, является метод "центра масс" [6].
В экспериментах мы используем ослабленный формальдегидом вирус гриппа H3N6 и H4N6, предоставленный Институтом полиомиелита вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова. Изображения вирусов гриппа штаммов H4N6 и H3N6 представлены на рис.3.
Для усовершенствованного сканирующего зондового микроскопа были созданы макет герметичной проточной жидкостной ячейки (рис.4) и макет головки резонансной атомно-силовой микроскопии (РАСМ). Конструкция ячейки позволяет устанавливать ее в микроскоп, а также вынимать из микроскопа в собранном состоянии без нарушения герметичности. На эту конструкцию поданы заявки на получение патентов [7, 8]. Проточная жидкостная ячейка может быть выполнена для одноразового использования. В любом случае при измерениях на сканирующем зондовом микроскопе биологические объекты – вирусы и бактерии – находятся в замкнутом изолированном пространстве.
Итоги первого года совместной разработки МГУ им. М.В.Ломоносова и НПП "Центр перспективных технологий" были представлены на выставке ВУЗПРОМЭКСПО 14–15 декабря 2016 года. На выставке были продемонстрированы: макет биосенсора – блок управления и корпус, в котором расположена проточная жидкостная ячейка с биочипом, а также макет усовершенствованного сканирующего зондового микроскопа с герметичной проточной жидкостной ячейкой (рис.5).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-04-07678 и Минобрнауки России в рамках договора № 02.G25.31.0135. Авторы благодарны за дискуссию и помощь в работе доктору биологических наук, зав. лабораторией молекулярной биологии вирусов гриппа ФГБНУ "Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М.П.Чумакова РАН" Александре Сергеевне Гамбарян.
ЛИТЕРАТУРА
Robert F. Service. Rules of the game // Science. 22 Jul 2016. Vol. 353. Is. 6297. P. 338–341. DOI: 10.1126/science.353.6297.338.
Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии // Наноиндустрия. 2014. № 2 (48). С. 46–52.
Колесов Д., Яминский И., Ахметова А., Синицына О., Мешков Г. Кантилеверные биосенсоры для обнаружения вирусов и бактерий // Наноиндустрия. 2016. № 5 (67). С. 26–34.
Колесов Д., Яминский И., Ахметова А., Синицына О., Мешков Г. Кантилеверные биосенсоры для обнаружения вирусов и бактерий // Наноиндустрия. 2016. № 4 (67). C. 26–35.
Киселев Г., Горелкин П., Ерофеев А., Колесов Д., Яминский И. Детекция вирусов с помощью пьезоэлектрических кантилеверов // Наноиндустрия. 2015. № 4 (58). C. 62–67.
Ахметова А., Гутник Н., Мешков Г., Синицына О., Яминский И., Назаров И. Биосенсор для обнаружения вирусов и бактерий в жидкостях // Наноиндустрия. 2016. № 8 (70). C. 68–73.
Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка на патент. Рег. номер 2016146597 от 29.11.2016.
Соснин В.С., Ахметова А.И., Яминский И.В., Яминский Д.И., Мешков Г.Б., Оленин А.В. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии // Заявка на патент. Рег. номер 2016146599 от 29.11.2016.
Отзывы читателей
