3D гидрогелевые биочипы помогли в выявлении рака

Ученые разработали специальный биочип на основе гидрогеля, который позволяет диагностировать рак кишечника, он же колоректальный рак или КРР. Это онкологическое заболевание занимает третье место по частоте среди всех злокачественных новообразований, причем на первых стадиях болезнь протекает с минимальными симптомами. Пятилетняя выживаемость пациентов с КРР несмотря на все усилия врачей до сих пор не превышает — добиться хорошего лечебного эффекта и выздоровления пациента можно только при своевременной диагностике колоректального рака.

Используемые в настоящее время методы диагностики несовершенны. Анализы, проводимые «в пробирке», in vitro, обладают низкой специфичностью, а инвазивные методы вроде колоноскопии не только травматичны, но и не всегда обеспечивают для ранней диагностики, поскольку не позволяют охватить полную картину развития и распространения КРР.

Метод, предложенный учеными из ИМБ РАН, МФТИ, РНЦХ, Первого МГМУ им.И.М.Сеченова, ИБХ РАН и городской клинической больницы имени В.М. Буянова, основан на одновременном выявлении в крови пациентов сразу множества различных веществ. Это аутоантитела против онкоассоциированных гликанов (обнаруживаются в сыворотке крови на ранних стадиях рака), иммуноглобулины различных классов, а также онкомаркеры, молекулы, продуцируемые клетками опухоли.

Что?

Онкомаркеры — это вещества, которые уже активно применяются для диагностики рака. Однако используемая сейчас для диагностики КРР комбинация (карциноэмбриональный антиген + карбогидратный антиген CA 19-9) обеспечивает не слишком высокую чувствительность: позволяя выявить лишь половину случаев заболевания. Для повышения чувствительности диагностики исследователи обратились к гликобиологии — активно развивающейся научной дисциплины о гликанах, важнейших биологических молекулах.

Самые известные гликаны — это крахмал, хитин и целлюлоза; с точки зрения химиков гликанами называют биополимеры, образованные цепочками из моносахаров (глюкоза и фруктоза — те примеры, которые известны и не-химикам), «сшитых» гликозидными связями (мостиком из атома кислорода). В жизни организма гликаны играют роль не только питательных веществ или «строительных материалов» для клеток, они важны для налаживания контактов между клетками, для правильного роста органов и многого другого. В контексте нового исследования особенно важно наличие у раковых клеток особых гликанов: молекул, которые позволяют отличить эти клетки от здоровых.

Выявить же онкоассоциированные гликаны позволяют аутоантитела. Антитела это молекулы, которые иммунная система производит для высокоточной борьбы с конкретным противником и они тонко «настроены» на взаимодействие с заданной мишенью. К примеру, антитела против вируса гриппа взаимодействуют только с белком, входящим в состав вирусных частиц конкретного штамма, а аутоантитела против онкоассоциированных гликанов взаимодействуют строго с гликанами, которые есть только в раковых клетках КРР.

Антитела позволяют пометить мишень и привести в действие механизмы, которые обеспечивают ее уничтожение. Причем мишенью могут быть и клетки самого организма: если они переродились в раковые или же оказались заражены вирусами. Уникальная способность антител к избирательному выявлению иных молекул легла в основу множества методов лабораторной диагностики, а также активно используется в научных экспериментах.

Как?

Аутоантитела к онкоассоциированным гликанам исследователи предложили искать в сыворотке крови. Этот метод уже показал ранее свою перспективность при диагностике рака яичников (в 2012 году вышла соответствующая публикация швейцарских ученых), а в качестве основного диагностического средства были выбраны биологические микрочипы.

Идею микрочипов в 1980-х годах предложил Андрей Мирзабеков, руководивший Институтом молекулярной биологии и кафедрой молекулярной биофизики МФТИ; сегодня эту идею называют технической основой биологии XXI века. Микрочип это, в большинстве случаев, плоская пластинка с нанесенными на нее образцами тех или иных биологических молекул — а в новой статье речь пошла о такой разработке, как трехмерный биочип на основе гидрогеля.

Такие чипы разрабатываются в ИМБ РАН и они представляют собой объемные ячейки из особого геля, внутри которого находятся необходимые реагенты — молекулярные зонды. Структура геля обеспечивает оптимальную среду для проведения анализа, причем исследователи успешно решили множество проблем, стоящих на пути к точной диагностике: например, им удалось добиться равномерного распределения молекулярных зондов и обеспечить чувствительность, превосходящую обычные «плоские» (или, как говорят специалисты, планарные) системы.

Что получили?

Исследователи создали прототип тест-системы, позволяющий одновременно измерить концентрацию онкомаркеров белковой природы, аутоантител к гликанам, а также иммуноглобулинов G, A и M в крови человека. Учитывая тот факт, что большинство белковых маркеров не являются специфичными по отношению к локализации и типу опухоли, ученые объединили их в группы — так называемые диагностические и прогностические сигнатуры (комбинации белковых онкомаркеров и антител к гликанам и др.).

Используя созданный прототип, ученые проанализировали сыворотки крови 33 пациентов с КРР, 69 здоровых доноров, а также 27 пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника. Заболевания, подобные болезни Крона или дивертикулиту могут в долговременной перспективе приводить к КРР, однако при диагностике болезни их крайне нежелательно путать между собой — система лабораторного анализа обязана быть не только чувствительной, но и точной.

Такой подход позволил превзойти современные методы. С помощью прототипа тест-системы на основе диагностических сигнатур удалось верно предсказать диагноз КРР в 95% случаев, против 79% определяемых традиционным методом. Чувствительность выявления КРР (пациенты с II-IV стадией КРР) составила 87% против 21%: такое увеличение, безусловно, является значительным достижением. Специфичность же метода составила 97%.

Чувствительность диагностической методики — это ее способность обнаружить болезнь при тестировании. Чем она выше, тем лучше, однако одной лишь чувствительности для постановки диагноза мало: диагностика должна быть также корректной и в тех случаях, когда речь идет о каком-то ином диагнозе, метод не должен указывать на рак при его отсутствии.

Именно способность точно предсказывать диагноз выражается первым числом 95% — в среднем у 95 пациентов из 100 болезнь будет определена верно. Чувствительность 87%  говорит о том, что из 100% случаев у больных с КРР в 87% определится КРР. Традиционный метод выявления КРР показал чувствительность 21%, это означает, что некоторые пациенты с КРР будут признаны здоровыми. А при наличии среди всех  пациентов больных воспалительными заболеваниями кишечника рак будет верно определен в 97% случаев.

«Разработанный в ИМБ РАН метод является чрезвычайно перспективным для помощи в диагностике заболеваний ЖКТ, и, будем надеяться, что в скором времени созданные на основе этого метода тест-системы появятся в клинических лабораториях нашей страны», — поделилась Жанна Зубцова, к.ф-м.н., доцент МФТИ, один из авторов разработанного подхода.