Лаборатория на чипе
У технологии «лаборатории на чипе» есть потенциал изменить медицину: можно не сходя с места и без всяких специальных навыков делать анализы чего угодно - от пищевых примесей до вируса Эбола в крови. С помощью одного малюсенького чипа уже можно проводить сотни экспериментов, и такой прибор поместится у вас в кармане.
Приходите вы к врачу с какой-то неведомой хворью в животе и наверняка надеетесь не услышать вот это ужасное: «Нужен образец кала». Да, каждому из нас, вероятно, приходилось собирать в баночку собственные испражнения и тащить их в поликлинику. К счастью, эту баночку у вас сразу отбирают и уносят в лабораторию и вам больше никогда не придется на нее смотреть. А в не таком уж далеком будущем врач сможет проанализировать ваш образец прямо при вас и через 15 минут выдать результат.
В 2006 году американские исследователи из проекта, профинансированного Национальными институтами здравоохранения, сообщили, что разрабатывают «одноразовые энтерокарточки», способные отличить кишечную палочку от сальмонеллы посредством нескольких параллельно проходящих анализов образца кала, и все это — на одном-единственном микрочипе. Этот прибор обнаруживает молекулы на поверхности микроба при помощи антител, собирает их и анализирует их ДНК.
Все с виду ловко — и немножко тошнотворно. Но такие «энтерокарточки» — не единственный пример: за так называемыми тестами на месте — возможное будущее медицины, и многие из них — та самая «лаборатория на чипе». Уже есть приборы для диагностики инфаркта и контроля концентрации Т-клеток у носителей ВИЧ. Дешевые диагностические чипы могут однажды сыграть ключевую роль в отслеживании распространения эпидемий. Громадный плюс в применении таких чипов в том, что они для неспециалистов, это автоматический эксперимент, происходящий у вас на ладони. Врачу нужно лишь ввести в такую машинку образец вашего биоматериала и вставить карточку в распознающее устройство.
Микрочип плюс ДНК
Понятие «лаборатория на чипе» возникло, когда ученые начали понимать, что могут прикарманить привычные методики создания микрочипов и с их помощью делать миниатюризованные версии типовых лабораторных экспериментов. В 1992 году швейцарские исследователи показали, что на чиповом устройстве можно осуществить привычную процедуру разделения — капиллярный электрофорез. К 2004 году химик Эдам Вулли с коллегами из Калифорнийского университета, Беркли, США, уже отделял ДНК по тончайшим канальцам на стеклянном чипе, а вскоре они применили чипы при секвенировании ДНК, в наши дни эта методика стала важнейшим применением технологии «лаборатория на чипе», и такие чипы способны обработать сотни образцов параллельно и за считанные минуты выдать результат.
Секвенирование на чипе — это вам не баран чихнул. Обычно его проводят полимеразной цепной реакцией (ПЦР), которую в молекулярной биологии применяют уже много лет. Эта реакция требует попеременного нагревания и охлаждения ДНК. Чтобы такое получилось на чипе, образцы в канальцах необходимо нагревать или пропихивать через последовательность реакционных ячеек, каждая объемом менее одной тысячной миллилитра, при разных температурах. Одно из важнейших направлений развития технологии «лаборатория на чипе» — микрогидродинамика, то есть работа с крошечными объемами жидкости.
У чипа есть, впрочем, и много других применений. С точки зрения химика, канальца и ячейки в чипе дают возможность проводить реакции и анализы контролируемо и воспроизводимо, а также — с образцами, слишком мелкими для человеческих рук. Биологи могут залучить даже отдельную клетку в такие реакционные ячейки и посмотреть, как на нее действуют различные вещества и биологические сигнальные молекулы одновременно. Разработчики лекарств могли бы применять их, чтобы смешивать мизерные количества различных лекарств и смотреть на результат их совместного действия. Во всех этих областях работа с мельчайшими объемами дает возможность свести отходы и стоимость процессов к минимуму.
Чипы могли бы принести пользу при составлении лекарств и их точном введении в организм — созданием микро- и нанокапсул или подачей точно отмеренным постоянным потоком в режиме капельницы, минимальными дозами, что уменьшило бы побочные эффекты, связанные с внезапным скачком концентрации вещества в организме. Некоторые эксперты предсказывают, что пациенты смогут носить при себе портативные чипы-дозаторы. Их можно даже соединить непосредственно с тканями, которым предназначено лекарство, через «микроиглу» — например, возле опухоли.
Сеть данных о болезнях
Диагностика и мониторинг здоровья людей, впрочем, едва ли не самая интересная область развития «лабораторий на чипе». Чаще всего при помощи чиповых приборов анализируют белки, нуклеиновые кислоты типа ДНК или же молекулы, участвующие в метаболизме. Очевидна польза чиповых приборов для диабетиков, которым приходится постоянно следить за уровнем сахара в крови. Есть и так называемые биомаркерные белки, по которым судят о многих изменениях в состоянии организма, от травмы мозга до начала родов. Зачастую в диагностических чипах применяют антитела, поскольку они хорошо распознают некоторые специфические молекулы — и наши собственные, и принадлежащие инфекционным организмам.
«В наши дни есть много такого, что делается без участия традиционного врача... Речь о лабораториях на чипе, в телефоне...» Эрик Топол (р. 1954), американский кардиолог, генетик, директор Междисциплинарного института Скриппса, из подкаста «Клиническая химия»
Чиповая диагностика могла бы принести большую пользу в тех уголках мира, где не хватает ресурсов и учреждений с профессиональным лабораторным анализом. Одна британская компания хочет ввести результаты, полученные на их диагностических приборах, в сетевую базу данных и создать этот самый «интернет жизни», который мог бы мониторить вспышки смертельно опасных заболеваний типа Эболы. И пусть пройдет еще несколько лет, прежде чем врач сможет проделать анализ вашего кала не сходя с места, — «лаборатории на чипе» однажды могут произвести революцию в нашем отношении к болезням и их лечению. И, как мы еще узнаем, компьютерная мощь применяется много где еще в химии.
Детективная работа
Быстрый чиповый химический анализ мог бы принести пользу в расследовании темных делишек - к примеру, при тестировании паленых лекарств или обнаружении вредительски подмешанных в пищу веществ. «Лаборатория на чипе» могла бы делать анализы многих нелегальных препаратов или же - в спорте - допингов и выдавать результат за несколько минут.
Интернет жизни
Вы, вероятно, слышали про «интернет вещей» - понятие, основанное на представлении, что все мы живем в мире стремительно умнеющих приборов, которые можно объединить между собой в одну сеть. Смартфоны, холодильники, телевизоры и даже чипированных собак можно включить в одну сеть - через их микрочипы. Исследователи из компании «КвантуМДэкс» из Ньюкасла-на-Тайне, Англия, планируют создание «интернета жизни», который объединит сведения, получаемые на приборах «лаборатория на чипе» по всему миру. Ученые считают, что данные секвенирования ДНК, собранные чиповыми устройствами, можно локализовать географически, то есть привязать к конкретному месту на глобусе. Это позволит эпидемиологам располагать невероятно подробными данными о распространении болезней в режиме реального времени. Так можно мониторить малярию, отслеживать эволюцию вируса гриппа, помогать прогнозировать вспышки Эболы, определять новые устойчивые к воздействию лекарств штаммы туберкулеза и, есть надежда, применять эти сведения для пресечения эпидемий.
