Ранняя диагностика рака с помощью магнитных нанометок
Обнаружение биомаркеров, которые могут свидетельствовать о развитии болезней, таких как рак, пока еще на ранней стадии разработки. Но возможно этот метод диагностики станет доступнее благодаря инновационному чипу-биосенсору, разработанному учеными из Stanford University.
Сенсор примерно в 1000 раз более чувствителен, чем любая другая технология, используемая сейчас в клинике, совершенно не зависит от того, в какой биологической среде организма находится маркер, и может обнаруживать протеины в диапазоне концентраций в три раза шире, чем любые существующие методы.
Наносенсорный чип показал себя эффективным в раннем обнаружении опухолей у мышей. Он может одновременно проводить поиск до 64 различных протеинов. Предполагается, что это может открыть путь к значительно более раннему обнаружению даже самых трудно диагностируемых раковых опухолей человека. Сенсор может применяться для детектирования маркеров не только рака, но и других заболеваний.
«На ранней стадии (рака) уровень биомаркеров в крови очень-очень низок, поэтому для их обнаружения нужна ультра-чувствительная технология», - говорит Shan Wang, профессор материаловедения и инженерии и электротехники и автор статьи, опубликованной на сайте Nature Medicine 11октября 2009. «Если болезнь можно обнаружить раньше, можно раньше вмешаться в процесс ее развития и получить гораздо больше шансов вылечить человека».
Wang говорит, что наносенсор также позволяет врачам быстро определить, как пациент реагирует на тот или иной курс химиотерапии. «На второй или третий день лечения мы уже можем сказать, помогает ли химиотерапия. Раньше это можно было сделать только через 1-2 месяца».
Сенсор, созданный Wang и его коллегами, работающий на основе нанотехнологии магнитного детектирования, разработанной ими ранее, может обнаруживать заданный протеин-биомаркер рака при концентрации один к ста миллиардам (или 30 молекул в кубическом миллиметре крови).
Хотя основы технологии магнитного обнаружения, используемой в новом биосенсоре, были описаны в прошлом году в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, новый сенсор не только на несколько порядков более чувствителен, но и превосходит своего предшественника по нескольким другим параметрам.
Самое впечатляющее преимущество нового наносенсора, описанное в Nature Medicine, заключается в том, что магнитный наносенсор может успешно обнаруживать раковые опухоли у мышей, когда концентрация биомаркеров намного ниже той, при которой эффективна применяемая сейчас стандартная методика, известная под сокращением ELISA.
«Для нас это очень важное открытие, так как оно показывает, что в практическом применении – а именно, рост опухоли у мышей – мы можем увидеть опухоли раньше, чем их можно обнаружить каким-либо другим способом», – говорит Сэм Гэмбир (Sam Gambhir), профессор радиологии в Stanford.
«Я бы сказал, что публикация в Proceedings of the National Academy of Sciences это доказательство концепции технологии, в то время как статья в Nature Medicine – это доказательство состоятельности технологической концепции в практическом применении, - говорит ученый.
В статье в Nature Medicine исследователи приводят данные о том, что магнитный наносенсор имеет широкую шкалу чувствительности - от просто незначительных количеств, описанных ранее, до концентраций на шесть порядков, или в миллион раз, меньших. Лучшие аналитические методы, существующие сейчас в клинике, способны определять протеины при концентрации не более двух порядков.
Большинство чувствительных платформ, используемых в настоящее время, ограничены нахождением одного протеина за время одного анализа, но так как магнитные наносенсоры - часть микрочипа из 64 встроенных сенсоров, каждый из которых может определять определенный протеин, исследователи могут искать до 64 разных протеинов одновременно в течение одного анализа. Анализ обычно занимает от одного до двух часов – намного меньше, чем в большинстве существующих методов.
Ученые также продемонстрировали, что сенсор одинаково эффективен в любой биологической жидкости, в которой врачам нужно определить нахождение ракового биомаркера. К таким жидкостям относятся моча, слюна, плазма и сыворотка крови и клеточные лизаты.
«Идея, что на одной аналитической платформе можно практически идентифицировать большой набор биомолекул в таком широком диапазоне концентраций, с такой чувствительностью, поистине замечательна», - говорит Чарлз Дрешер (Charles Drescher), профессор акушерства и гинекологии в University of Washington в Сиеттле, который не принимал участия в разработке этого метода. «Я думаю, все мы будем очень рады, если это действительно сработает».
Ключ к универсальности магнитного нано-сенсора и широкому диапазону концентраций, с которыми он может эффективно работать, лежит в использовании магнетизма.
Основной механизм, использованный в наномагнитном сенсоре - захват антигенов – вредных соединений, синтезируемых раковыми клетками – используя антитела, имеющие тенденцию связываться с антигенами.
Когда антигены прочно закреплены, снова используются антитела. Они притягиваются к антигенам, зафиксированным в сенсоре, и, связываясь с ними, прочно «запечатывают» антигены внутри «сэндвича» из антител. Затем исследователи применяют магнитные нанометки, которые соединяются со специфическими антителами. Магнитные нанометки прикрепляются к внешним антителам «сэндвича» и незначительно, но вполне отчетливо меняет магнитное поле таким образом, что это изменение может быть уловлено детектором.
Анализы для обнаружения протеинов, используемые в настоящее время, основаны на различных механизмах, таких как измерение электрического заряда, флуоресцентные сигналы, кислотность. Все они так или иначе подвержены влиянию со стороны среды, в которой находится исследуемый протеин. Если анализ дает прекрасный результат при определении концентрации протеина, например, в моче, он может быть неудовлетворителен при исследовании крови, так как различия в составе среды влияют на такие ее свойства, как кислотность или электрический заряд.
«Наши сенсоры довольно нечувствительны к среде, и это тоже очень важно с научной точки зрения», - говорит Wang. «Мы знаем, что слюна и кровь имеют совершенно разный уровень кислотности и разный химический состав. Но они не обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства у них такие же, как у воздуха. Это не мешает нашему механизму обнаружения протеинов».
Большинство применяемых сейчас методик могут определять протеины в узком диапазоне концентраций и только до тех пор, пока какие-либо влияния не понизят чувствительность анализаторов. Это может потребовать проведения серии анализов, чтобы получить полную картину содержания протеинов в среде. Используя же методику магнитного определения протеинов, Wang и его коллеги могут избежать такого ослабления сигнала.
«Имея высокую чувствительность и широкую шкалу мы может определять широкий набор протеинов в большом диапазоне концентраций, а нечувствительность к среде позволяет нам работать с различными биологическими жидкостями», - говорит Ричард Гастер (Richard Gaster), аспирант в области биоинженерии и медицины, автор статьи в Nature Medicine. Когда датчик начнет использоваться в коммерческих целях, это позволит сэкономить время на проведении анализа, что приведет к снижению экономических затрат,
Другая ценность методики состоит в том, что она использует существующую технологию, уже используемую в области хранения информации и производстве полупроводников, что позволяет сделать ее относительно дешевой.
Один из следующих шагов в исследовании, говорит Wang, - испытание нано-магнитных сенсоров на образцах крови человека, взятых в процессе долгосрочных исследований, в ходе которых анализы берутся у больных с ранее выставленным диагнозом рака. Для этой цели команда ученых из Stanford объединит свои усилия с Fred Hutchison Cancer Research Center в Сиэттле и Canary Foundation, некоммерческой организацией, занимающейся ранней диагностикой рака.
«Мы можем использовать нашу технологию для изучения всех этих образцов и поставить диагноз на год, или на полгода, или на три месяца раньше. Это будет очень интересная работа».
Исследование финансируется the National Cancer Institute, the National Science Foundation, the Defense Threat Reduction Agency, the Defense Advanced Research Projects Agency, the Department of Veterans Affairs, the Canary Foundation and the National Semiconductor Corporation.
Magnetic Nanotags Spot Cancer In Mice Earlier Than Methods Now In Clinical Use
Источник: www.lana.alpe.ru
Сенсор примерно в 1000 раз более чувствителен, чем любая другая технология, используемая сейчас в клинике, совершенно не зависит от того, в какой биологической среде организма находится маркер, и может обнаруживать протеины в диапазоне концентраций в три раза шире, чем любые существующие методы.
Наносенсорный чип показал себя эффективным в раннем обнаружении опухолей у мышей. Он может одновременно проводить поиск до 64 различных протеинов. Предполагается, что это может открыть путь к значительно более раннему обнаружению даже самых трудно диагностируемых раковых опухолей человека. Сенсор может применяться для детектирования маркеров не только рака, но и других заболеваний.
«На ранней стадии (рака) уровень биомаркеров в крови очень-очень низок, поэтому для их обнаружения нужна ультра-чувствительная технология», - говорит Shan Wang, профессор материаловедения и инженерии и электротехники и автор статьи, опубликованной на сайте Nature Medicine 11октября 2009. «Если болезнь можно обнаружить раньше, можно раньше вмешаться в процесс ее развития и получить гораздо больше шансов вылечить человека».
Wang говорит, что наносенсор также позволяет врачам быстро определить, как пациент реагирует на тот или иной курс химиотерапии. «На второй или третий день лечения мы уже можем сказать, помогает ли химиотерапия. Раньше это можно было сделать только через 1-2 месяца».
Сенсор, созданный Wang и его коллегами, работающий на основе нанотехнологии магнитного детектирования, разработанной ими ранее, может обнаруживать заданный протеин-биомаркер рака при концентрации один к ста миллиардам (или 30 молекул в кубическом миллиметре крови).
Хотя основы технологии магнитного обнаружения, используемой в новом биосенсоре, были описаны в прошлом году в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, новый сенсор не только на несколько порядков более чувствителен, но и превосходит своего предшественника по нескольким другим параметрам.
Самое впечатляющее преимущество нового наносенсора, описанное в Nature Medicine, заключается в том, что магнитный наносенсор может успешно обнаруживать раковые опухоли у мышей, когда концентрация биомаркеров намного ниже той, при которой эффективна применяемая сейчас стандартная методика, известная под сокращением ELISA.
«Для нас это очень важное открытие, так как оно показывает, что в практическом применении – а именно, рост опухоли у мышей – мы можем увидеть опухоли раньше, чем их можно обнаружить каким-либо другим способом», – говорит Сэм Гэмбир (Sam Gambhir), профессор радиологии в Stanford.
«Я бы сказал, что публикация в Proceedings of the National Academy of Sciences это доказательство концепции технологии, в то время как статья в Nature Medicine – это доказательство состоятельности технологической концепции в практическом применении, - говорит ученый.
Одно – показать, как технология может работать в
принципе, и совсем другое применить ее на практике, подтвердив реальными
образцами крови мышей, полученных от реальных мышей с реальными раковыми
опухолями».
В статье в Nature Medicine исследователи приводят данные о том, что магнитный наносенсор имеет широкую шкалу чувствительности - от просто незначительных количеств, описанных ранее, до концентраций на шесть порядков, или в миллион раз, меньших. Лучшие аналитические методы, существующие сейчас в клинике, способны определять протеины при концентрации не более двух порядков.
Большинство чувствительных платформ, используемых в настоящее время, ограничены нахождением одного протеина за время одного анализа, но так как магнитные наносенсоры - часть микрочипа из 64 встроенных сенсоров, каждый из которых может определять определенный протеин, исследователи могут искать до 64 разных протеинов одновременно в течение одного анализа. Анализ обычно занимает от одного до двух часов – намного меньше, чем в большинстве существующих методов.
Ученые также продемонстрировали, что сенсор одинаково эффективен в любой биологической жидкости, в которой врачам нужно определить нахождение ракового биомаркера. К таким жидкостям относятся моча, слюна, плазма и сыворотка крови и клеточные лизаты.
«Идея, что на одной аналитической платформе можно практически идентифицировать большой набор биомолекул в таком широком диапазоне концентраций, с такой чувствительностью, поистине замечательна», - говорит Чарлз Дрешер (Charles Drescher), профессор акушерства и гинекологии в University of Washington в Сиеттле, который не принимал участия в разработке этого метода. «Я думаю, все мы будем очень рады, если это действительно сработает».
Ключ к универсальности магнитного нано-сенсора и широкому диапазону концентраций, с которыми он может эффективно работать, лежит в использовании магнетизма.
Основной механизм, использованный в наномагнитном сенсоре - захват антигенов – вредных соединений, синтезируемых раковыми клетками – используя антитела, имеющие тенденцию связываться с антигенами.
Такие антитела, получившие название
«антитела-захватчики», и используются в сенсоре. Когда вещество, представляющее
интерес для исследователей, попадает в сенсорный чип, антитела связываются с
соответствующими антигенами.
Когда антигены прочно закреплены, снова используются антитела. Они притягиваются к антигенам, зафиксированным в сенсоре, и, связываясь с ними, прочно «запечатывают» антигены внутри «сэндвича» из антител. Затем исследователи применяют магнитные нанометки, которые соединяются со специфическими антителами. Магнитные нанометки прикрепляются к внешним антителам «сэндвича» и незначительно, но вполне отчетливо меняет магнитное поле таким образом, что это изменение может быть уловлено детектором.
Анализы для обнаружения протеинов, используемые в настоящее время, основаны на различных механизмах, таких как измерение электрического заряда, флуоресцентные сигналы, кислотность. Все они так или иначе подвержены влиянию со стороны среды, в которой находится исследуемый протеин. Если анализ дает прекрасный результат при определении концентрации протеина, например, в моче, он может быть неудовлетворителен при исследовании крови, так как различия в составе среды влияют на такие ее свойства, как кислотность или электрический заряд.
«Наши сенсоры довольно нечувствительны к среде, и это тоже очень важно с научной точки зрения», - говорит Wang. «Мы знаем, что слюна и кровь имеют совершенно разный уровень кислотности и разный химический состав. Но они не обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства у них такие же, как у воздуха. Это не мешает нашему механизму обнаружения протеинов».
Большинство применяемых сейчас методик могут определять протеины в узком диапазоне концентраций и только до тех пор, пока какие-либо влияния не понизят чувствительность анализаторов. Это может потребовать проведения серии анализов, чтобы получить полную картину содержания протеинов в среде. Используя же методику магнитного определения протеинов, Wang и его коллеги могут избежать такого ослабления сигнала.
«Имея высокую чувствительность и широкую шкалу мы может определять широкий набор протеинов в большом диапазоне концентраций, а нечувствительность к среде позволяет нам работать с различными биологическими жидкостями», - говорит Ричард Гастер (Richard Gaster), аспирант в области биоинженерии и медицины, автор статьи в Nature Medicine. Когда датчик начнет использоваться в коммерческих целях, это позволит сэкономить время на проведении анализа, что приведет к снижению экономических затрат,
Другая ценность методики состоит в том, что она использует существующую технологию, уже используемую в области хранения информации и производстве полупроводников, что позволяет сделать ее относительно дешевой.
Один из следующих шагов в исследовании, говорит Wang, - испытание нано-магнитных сенсоров на образцах крови человека, взятых в процессе долгосрочных исследований, в ходе которых анализы берутся у больных с ранее выставленным диагнозом рака. Для этой цели команда ученых из Stanford объединит свои усилия с Fred Hutchison Cancer Research Center в Сиэттле и Canary Foundation, некоммерческой организацией, занимающейся ранней диагностикой рака.
«Мы можем использовать нашу технологию для изучения всех этих образцов и поставить диагноз на год, или на полгода, или на три месяца раньше. Это будет очень интересная работа».
Исследование финансируется the National Cancer Institute, the National Science Foundation, the Defense Threat Reduction Agency, the Defense Advanced Research Projects Agency, the Department of Veterans Affairs, the Canary Foundation and the National Semiconductor Corporation.
Magnetic Nanotags Spot Cancer In Mice Earlier Than Methods Now In Clinical Use
Источник: www.lana.alpe.ru
Medcentre.com.ua Медичний інформаційний ресурс 
Коментарі