Что такое и откуда взялось?

 

Многофункциональные наночастицы в медицине

наночастицы и их комплексы, способные выполнять несколько медицинских задач, например, служитьдиагностическим контрастным агентом, биосенсором, вектором для направленной доставки лекарств,оказывать терапевтическое воздействие. Разработаны многофункциональные или т.н. динамические наноплатформы (наносомы) и текто-дендримеры, состоящие из соединяемых друг с другом наномодулей, каждый из которых выполняетопределенную функцию. Одни наночастицы могут нести лекарственные вещества, другие – молекулыузнавания и адресной доставки, третьи наноструктуры в составе наносомы могут выполнять рольбиосенсоров (рН, редокс потенциала, мембранного потенциала и др.), четвертые могут быть оснащенынаноантеннами из нанокристаллов золота, вызывающими нагревание наносомы при помещении вэлектромагнитное поле определенной частоты. Применение суперпарамагнитных наночастиц в составенаносом позволяет визуализировать их местонахождение в организме с помощью томографических методов.На основе флуоресцентных технологий созданы наномодули, способные сигнализировать о процессахгибели опухолевых клеток и других результатах наномедицинских воздействий. В зависимости от решаемыхврачом задач наносомы могут собираться из различных функциональных модулей и осуществлятьопределенные виды деятельности в организме, такие как мониторинг внутренней среды, нахождение ивизуализация целевых клеток, доставка лекарств и их контролируемое высвобождение, сообщение орезультатах терапии. Вариантами немодульных многофункциональных наночастиц являютсямодифицированные вирусные капсиды, при сборке которых возможно изменять как состав содержимогокапсида (груз), так и состав поверхностных молекул капсида, определяющих направленную доставку исенсорные функции. Наносомы и другие упомянутые многофункциональные наноустройства можнорассматривать, как отдаленный прообраз нанороботов медицинского назначения.

 

Нанокапсула

наночастица, состоящая из полимерной или липидной оболочки, окружающей ее внутреннюю полость илисодержимое.

 

 

Наибольшее применение амфифильные вещества находят в нанобиотехнологиях.

 

 

ДНК-чип.

Что такое и откуда взялось?

 

 

В последнее время обороты начала набирать такая сфера генетики, как днк-диагностика и диагностика наследственных болезней. Такой «бум» в этой сфере связан с возникновением новых методов распознавания днк последовательности.

Это так называемое секвенирование- расшифровка последовательностей ДНК и их анализ. На данный момент уже существует множество различных способов секвенирование. По началу эти методы были весьма неэффективны. Они требовали большого количества времени и сами по себе были очень дорогостоящи, но технологии не стоят на месте и в этом случае. Чем дальше все это заходит, тем проще и эффективней становится процесс.

Одним из таких облегчений стало создание ДНК-микрочипов. Впервые набор различных ДНК, объединённых в чип, был использован в 1987 году для определения особенностей регуляции экспрессии генов интерферонами[1]. Ранние ДНК-микрочипы были сделаны путём «раскапывания» микроколичеств кДНК на фильтровальную бумагу. Использование миниатюрных чипов для определения особенностей экспрессии генов было осуществлено в 1995 году[2] и полный эукариотический геном (Saccharomyces cerevisiae) был размещён на микрочипе в 1997 году.

Появление во 2-й половине 90-х годов ДНК-чипов стало новой биотехнологической революцией, стоящей по значимости в одном ряду с расшифровкой структуры ДНК в 50-х, исследованием фундаментальных закономерностей молекулярной генетики, таких как генетический код и основная догма молекулярной биологии в 60-х, открытием обратной транскрипции и созданием первых рекомбинантных конструкций в 70-х, разработкой энзимологических методов манипуляций с генетическим материалом in vitro таких как амплификационные технологии в 80-х.

Теоретическая основа создания ДНК-чипов проста и очевидна. Она базируется на принципе комплементарной гибридизации одно-цепочечных полинуклеотидных цепей, являющихся фундаментом современных представлений о вторичной двух-цепочечной структуре ДНК.

Но для практической реализации этого элементарного принципа потребовалось объединить самые последние достижения таких наиболее прогрессивных направлений современной науки как молекулярная генетика, нанотехнология, информатика и полупроводниковая индустрия.

Современный ДНК-микрочип состоит из тысяч дезоксиолигонуклеотидов (зондов, или проб), сгруппированных в виде микроскопических точек и закреплённых на твёрдой подложке. Каждая точка содержит несколько пикомолей ДНК с определённой нуклеотидной последовательностью. Олигонуклеотиды ДНК-микрочипа могут быть короткими участками генов или других функциональных элементов ДНК и используются для гибридизации с кДНК или мРНК (кРНК). Гибридизация зонда и мишени регистрируется и количественно характеризуется при помощи флюоресценции или хемилюминесценции, что позволяет определять относительное количество нуклеиновой кислоты с заданной последовательностью в образце. В обычном ДНК-микрочипе зонды ковалентно прикрепляются к твёрдой поверхности — стеклянному или кремниевому чипу. Другие платформы, например, выпускаемые Illumina, используют микроскопические шарики вместо больших твёрдых поверхностей. ДНК-микрочипы используют для анализа изменения экспрессии генов, выявления однонуклеотидных полиморфизмов, генотипирования или повторного секвенирования мутантных геномов. Микрочипы отличаются по конструкции, особенностям работы, точности, эффективности и стоимости.

существуют два основных направления создания ДНК-чипов. Исторически первыми были методы размещения на чипах предварительно химически синтезированных олигонуклеотидов или полученных с помощью ПЦР одно-цепочечных фрагментов ДНК. Эти методы просты в использовании, необходимое оборудование доступно и относительно дешево. Самым главным преимуществом является высокая гибкость этих методов, позволяющая создать чип с любыми требующимися последовательностями, но этот подход имеет труднопреодолимые недостатки, сильно ограничивающие его использование. Прежде всего, это огромные затраты труда, времени и средств на синтез требуемого количества различных олигонуклеотидов или ДНК. Плотность размещения ДНК на таких чипах не может превышать десятков тысяч на 1 см2.

 

Другим более перспективным направлением является применение разработанных для нужд микроэлектроники литографических технологий с использованием ультрафиолетового излучения. Такая технология позволяет синтезировать олигонуклеотиды непосредственно на поверхности чипа. При этом плотность их составляет несколько миллионов на 1 см2. Недостатком этой технологии является необходимость литографических масок, что ограничивает возможность синтеза этих чипов рамками крупных фирм.

 

Последним достижением в данной области стала разработка в 1999 году технологии позволяющей обойтись без литографических масок. Это делает синтез чипов с плотностью олигонуклеотидов любой заданной последовательности превышающей 1 000 000 на 1 см2 доступным любой лаборатории.

Готовый чип гибридизируется с меченным различными способами ДНК-субстратом, представляющим собой обычно к-ДНК, синтезированную с помощью обратной транскрипции с м-РНК изучаемых тканей. Далее производится детекция меченных нуклеотидов с помощью специальных устройств, при этом строится паттерн гибридизации, учитывающий те олигонуклеотиды или ДНК фрагменты, с которыми гибридизировалась меченая ДНК и интенсивность сигнала, отражающую количество меченых молекул в данной ячейке чипа. Таким образом, можно получить информацию о последовательности исследуемых ДНК (так как каждой определенной последовательности исследуемой ДНК соответствует известная последовательность иммобилизованной на чипе ДНК) и о количестве каждой исследуемой последовательности.

Благодаря своим особенностям технология ДНК-чипов находит все более широкое применение в фундаментальных и прикладных исследованиях. Главной отличительной чертой этой технологии является возможность одновременного анализа огромного количества различных ДНК-последовательностей. Появилась ранее недоступная возможность изучать геном как целое. Это новое направление получило название "геномика". Применение ДНК-чипов позволяет количественно определить уровень экспрессии всех генов любого генома. Особенно важным является установление функциональной роли генов - функциональная геномика. Установление функций генов позволяет разработать методы этиологической диагностики патологических состояний, например злокачественного роста и способы управления функцией генов, которые ответственны за их развитие, в том числе и с помощью такого наиболее перспективного метода как генная терапия.

Благодаря появлению ДНК-чипов появилась возможность производить анализ мутаций во всех генах генома одновременно. Так для анализа всех возможных мутаций во всех генах человека достаточно ДНК-чипа с количеством ячеек равным 100-200 млн., что технически достижимо. ДНК-чипы позволяют производить одновременный анализ огромного количества полиморфных маркеров, что открывает новые перспективы для исследований в области молекулярно-генетической эволюции и позиционных геномных исследований (установление связи положения полиморфных маркеров с функцией соседних генов).

 

Стремительное развитие ДНК-чип технологии и ее уникальные возможности, особенно появление в самое последнее время принципиально новых доступных для широкого использования подходов в области синтеза чипов, манипуляций с субстратом и детекции результатов делает ДНК-чип технологии чрезвычайно привлекательным для ее внедрения в широкую клиническую практику. Такая перспектива резкого расширения рынка ДНК-чип технологий приведет к появлению новой очень перспективной сферы высокотехнологического бизнеса при этом компании, сумевшие благодаря быстрому внедрению новых высокоэффективных технологий занять доминирующее положение на этом огромном рынке, могут стать такими же гигантами как Intel и Microsoft.