Два месяца назад в России было создано первое коммерческое предприятие по производству биочипов. Уникальные технологии позволяют, среди прочего, за считанные часы проанализировать генетические мутации и, тем самым, определить предрасположенность к раковым заболеваниям. В течение дня можно провести диагностику туберкулеза, тогда как другие методы требуют нескольких недель или даже месяцев. Примечательно, что в основе этих разработок лежат исследования отечественных ученых, отстоявших во время экономического кризиса 90-х годов права России на оригинальные идеи, контроль над которыми хотели получить компании США.


Такие разные
Футурологи давно заявляли, что в будущем в организм человека станут внедрять биочипы, осуществляющие постоянное наблюдение и транслирующие полученные данные врачам. Уже сегодня есть ряд подобных разработок, однако большинство из них относится к однопараметрическим чипам, 'мониторящим' только одну характеристику, например уровень сахара в крови, кислотность или температуру.

Подобные микроприборы являются электронными устройствами, использующими, как правило, физические методы анализа. Они могут вводиться непосредственно в организм или инсталлироваться на медицинские инструменты. Так, например, на кончик хирургического инструмента могут быть помещены несколько разных однопараметрических чипов, каждый из которых будет информировать о 'своей' характеристике.

В отличие от этого вида чипов, разработки российского Института молекулярной биологии (ИМБ) являются инструментами химического многопараметрического анализа и дают информацию сразу о нескольких характеристиках образца. Так, например, при помощи одной пластинки размером с почтовую марку можно получить данные о нескольких тысячах генов или о группе свойств возбудителя. Другой отличительной особенностью отечественных технологий является возможность работы с уже взятыми образцами, поэтому вводить биочипы в организм не обязательно.

С помощью биочипов российского производства один специалист может провести исследование 1000 образцов в день. Анализ каждого из них занимает 15 секунд, плюс 2-3 минуты на то, чтобы зафиксировать результаты. Предварительная работа продолжается 12 часов, однако этот фактор не является серьезным ограничением, поскольку готовиться для анализа могут сотни образцов одновременно.

Как рождался российский биочип
Основа нынешней технологии производства биочипов была независимо разработана в конце 80-х годов двумя группами исследователей - югославами и россиянами, а также британским ученым. История создания 'русского биочипа' связана с отечественно командой под руководством директора ИМБ академика РАН Андрея Мирзабекова (недавно ушедшего из жизни). Югославскую группу вскоре пригласили работать в США, но довести теоретические замыслы до реализации она не сумела и распалась. Британец продал технологию фирме, производящей диагностическое оборудование, но там ее также не реализовали.

В начале 90-х годов академик Мирзабеков собрал в Москве круглый стол с участием ведущих зарубежных специалистов, которым был показан работающий биочип. Его увидел, в том числе, и Чарльз Кантор, один из руководителей международной программы 'Геном человека'. После того, как г-н Кантор поверил в идею, началась 'гонка' международных компаний и институтов за лидерство на зарождающемся рынке биочипов.

В середине 90-х годов, когда в России наступил экономический кризис и науку почти перестали финансировать, академика Мирзабекова пригласили в Аргоннскую национальную лабораторию (Чикаго, США). В ответ на предложение он заявил, что будет работать там только при условии создания совместной исследовательской группы, включающей американских специалистов, а также российских сотрудников из его лаборатории в ИМБ, насчитывающей в то время 30 человек. Сначала американцы не соглашались, но в конце концов приняли поставленное условие. В течение 5-6 лет, когда исследования в области биочипов проводились совместно, финансирование этой группы обошлось в несколько миллионов долларов. Проект контролировал Департамент энергетики США, в свое время курировавший разработку атомной бомбы.

Американцам не нравились две аспекта сотрудничества с российскими учеными. Во-первых, они хотели, чтобы наши специалисты работали в США на постоянной основе и под контролем - тогда плоды их трудов полностью принадлежали бы Штатам. Американцы даже уговаривали исследователей остаться в США и получить гражданство. Мирзабеков же и часть его коллег, напротив, хотели работать 'вахтовым' методом. Во-вторых, американцы были недовольны тем, что руководит проектом не их соотечественник, а иностранный ученый, который половину своего времени проводит в России. В результате группа раскололась: часть исследователей осталась в США, другая под руководством Мирзабекова вернулась в Россию.

Базовый патент на биочипы, объединяющий в одном пакете несколько технологий, разработанных в Аргоннской лаборатории, принадлежал России. Однако право использовать данный патент купили Motorola и НР. По соглашению с руководством Аргоннской национальной лаборатории, 50% доходов от патентов поступало ей, 50% - в Московский институт молекулярной биологии.

Компаниям, выкупившим технологию у ученых, не нравилось, что выплаты за пользование патентом увеличивались в геометрической прогрессии. Если до коммерческого запуска проекта они платили только за использование технологии, то впоследствии прибавились еще и выплаты процентов от доходов. После этого Motorola и НР зарегистрировали свой патент на модифицированную технологию. Специалисты из ИМБ хотели подать в суд, но, возможно, в силу особенностей менталитета разбирательства не состоялось. Вместо этого группой академика Мирзабекова была разработана и запатентована более совершенная технология биочипов.

В настоящее Институтом молекулярной биологии (ИМБ) им. Энгельгардта основана компания "Биочип-ИМБ" (Biochip-IMB), руководителем которой стал Виктор Барский.

Многочисленные цели
Сообщения о том, что туберкулез - колоссальная проблема России, в последние годы звучат все чаще. Число страдающих этой болезнью в нашей стране постоянно увеличивается. Диагностика обычными методами длится 10 недель, в течение которых пациент занимает койко-место в больнице и, возможно, заражает окружающих. Самый эффективный западный метод диагностики туберкулеза позволяет поставить точный диагноз через две недели после взятия проб. Метод с использованием российских биочипов позволяет сделать это за один день.

По данным статистики, 5% больных туберкулезом страдают лекарственно-устойчивой формой болезни. Препараты для борьбы с устойчивыми к лекарствам возбудителями приблизительно в 20 раз дороже, чем обычные. Российские биочипы позволяют выявлять такую форму заболевания с вероятностью, близкой к 100%. Биочип показывает штамм, находит 'адрес', откуда тот пришел, и определяет устойчивость к лекарственным средствам.

По словам директора 'Биочипа-ИМБ' Виктора Барского, его компания заключила соглашение с главным управлением исполнения наказаний министерства юстиции РФ о диагностике туберкулеза у заключенных. Как известно, многие российские заключенные страдают туберкулезом из-за плохих условий содержания и некачественного лечения, причем 'зоны' представляют собой источник заражения и для жителей прилегающих территорий.

Биочип для диагностики туберкулеза недавно был сертифицирован Министерством здравоохранения и социального развития России. После этого компания получила от министерства заказ по оснащению оборудованием и технологиями восьми центров по борьбе с туберкулезом. Сумма контракта составила 6 млн. рублей. Руководят данным проектом академик РАН Виталий Литвинов и директор ИМБ, член-корр. РАН Александр Макаров. До сертификации биочипы могли использоваться в России только для научных исследований, их применяли в 10 научно-исследовательских учреждениях, в том числе в Центре по борьбе с туберкулезом и в Институте туберкулеза.

У российских ученых есть и чипы, способные по генам человека определять его предрасположенность к раку (она выявляется у 60% больных раком). Однако, так как в этом случае технология биочипов позволяет выявить только вероятность болезни, эти чипы не подвергаются сертификации. Сейчас руководство 'Биочип-ИМБ' планирует начать проект с 'Первым мединститутом' по определению эффективности чипов при исследовании материала от умерших больных с подтвержденным диагнозом 'рак'. Кроме того, в настоящее время в процессе сертификации находится чип для диагностики лейкемии.

Поскольку существуют не только генные, но и белковые онкомаркеры (молекулы, сигнализирующие о раке), специалисты 'Биочип-ИМБ' разработали соответствующий биочип. Однако на этом рынке имеются достаточно эффективные конкурирующие методики. То же самое касается биозондов, определяющих совместимость при переливании крови, анализирующих организм пациентов на гепатит и СПИД. По этой причине производство подобных чипов в России не планируется.

Зато в области диагностики гриппа и определения его штаммов у отечественного рынка широкие перспективы. Российские ученые уже получили грант американского центра по контролю заболеваний (CDC) для совместной работы по выявлению штаммов вирусов гриппа. Однако коммерческое производство таких чипов в ближайшее время также не планируется.

Что касается технологий борьбы с биотерроризмом, то по мнению г-на Барского, руководство России не очень 'волнуется' по этому поводу. 'У нас есть чипы, позволяющие определять наиболее вероятных для использования в качестве биооружия возбудителей - сибирской язвы, оспы, чумы и бруцеллеза, - однако наше государство в отличие от американских властей пока не проявляет интереса к этим разработкам,. США еще в 80-х годах предлагали нашим специалистам заняться созданием чипа для определения спор сибирской язвы'.

В США российские биочипы применяются пока только в научных целях в 8-10 организациях, в том числе - в Вашингтонском университете, институте Джона Гопкинса и Мэрилендском университете. 'Биочип-ИМБ' поставил технологию и оборудование и в Стэндфордский университет в рамках проекта по нахождению в слюне человека новых микроорганизмов.

Российские биочипы могут работать и дистанционно. 'Биочип-ИМБ' поставил свои технологии и оборудование в Университет Джорджа Вашингтона в Сиэтле, а также в американскую организацию Grand CRDF, которая работает с NASA. Последний проект касается возможности обнаружения жизни вне Земли, что связано с необходимостью многопараметрического анализа с помощью автономной системы.

Основы технологии
Во всех многопараметрических биочипах используют какой-либо механизм химического взаимодействия. Помеченные люминесцентными красителями молекулы исследуемого образца соединяются со своей 'парой' (микрозондом), помещенной в одну из несколько тысяч ячеек на чипе. Например, нити ДНК соединяются со своей комплиментарной парой, антиген со своим антителом, субстрат со своим ферментом. Наличие того или иного вещества или гена в образце определяют по люминесцентному свечению на прореагировавшем чипе.


Площадь биочипа обычно чуть больше квадратного сантиметра

Микрозонды, которые должны взаимодействовать с образцом, наносят на подложку из пластика или стекла размером не больше почтовой марки. Каждый микрозонд имеет форму капельки около 100 микрон в поперечнике. Все ячейки одного макрозонда одинаковы по размеру и располагаются с плотностью 10-30 'капелек' на 1 кв. мм. Те чипы, на которых проходит ферментативная реакция, имеют более редкое расположение ячеек, те, на которых идет ДНК-реакция - более частое. Такая технология позволяет на одном биочипе разместить анализатор фактически всего генома человека - от 30 до 100 тысяч генов. При этом детектируется наличие участков ДНК длиной от шести до нескольких тысяч нуклеотидов в зависимости от поставленной задачи.

Образец можно метить не только люминесцентными красителями. Определять прореагировавшие зонды можно и по их электропроводности. В настоящее время специалисты компании 'Биочип-ИМБ' реализуют совместный с Академией наук Франции проект по разработке технологии определения взаимодействия методом масс-спектрометрии (по возрастанию молекулярного веса зондового вещества).

Производство зонда включает в себя от 10 до 12 процессов, большинство из которых можно осуществлять в автоматическом режиме. В 80-х годах зонды наносили вручную - тогда плотность биочипа составляла всего 2 ячейки. В начале 90-х годов зонды стали производить полуавтоматически, а сейчас технология производства полностью автоматизирована.

Сегодня подобные продукты производят многие компании, в основном - американские. Отличие используемых ими технологий состоит в способе иммобилизации зонда на подложке. Раньше зонд 'пришивали' прямо к стеклу, в свое время эта технология стала содержанием первого патента, полученного российскими учеными. Сейчас специалисты компании 'Биочип-ИМБ' помещают зонды в трехмерные ячейки гелия, в результате чего повышаются величина сигнала и уровень специфичности. Использование данных ячеек является основным преимуществом российских биочипов.

Анализ прореагировавших чипов производится автоматически с помощью анализатора (чип-детектора), который представляет собой широкопольный микроскоп, соединенный с видеокамерой и компьютером. Чип-детекторы и ПО для них разработаны и произведены компанией 'Биочип ИМБ' и уже прошли сертификацию в Министерстве здравоохранения и соцразвития России.

В 'Биочип-ИМБ' не сообщают себестоимость производства одного биочипа, а также количество выпускаемых экземпляров. Между тем, в государственные организации в рамках совместного проекта с Минздравсоцразвития РФ биочипы для диагностики туберкулеза (включая все необходимые реагенты) поставляются компанией по цене $14-15. Чипы для определения мутаций, вызывающих лейкемию, стоят дороже - около $50. Стоимость анализатора - порядка $14 тыс.

Перспективы рынка
Мировой рынок биочипов, включая чипы для анализа ДНК и белков, достигнет в 2005 году $950 млн., считают авторы доклада из BioInsights (теперь BioPerspectives). По их мнению, новые продукты и новые игроки в текущем году расширят рынок на 33%. Анализ генов с объемом продаж $434 млн. останется в 2005 году ведущей областью применения технологии.

По данным Freedonia, рынок биочипов, сопутствующих услуг и оборудования только в США будет расти ежегодно на 20%, достигнув $2,1 млрд. в 2008 г. Из них $875 млн. будет приходиться собственно на биочипы, а $1,2 млрд. - на инструменты, реагенты, программные средства и услуги. По мнению аналитиков компании, рост рынка (особенно в секторе исследования генов и белков), приведет к открытию новых лекарств и к успехам в борьбе с опасными болезнями. Прогнозируется также смещение в сторону производства чипов для синтеза новых белков.

По мнению директора 'Биочип-ИМБ' Виктора Барского, на рынке биочипов особо жесткие условия наблюдаются в секторе исследования белков, поскольку здесь имеется немало других, не менее эффективных методов (например, плашечный иммуноанализ, метод бумажной фореграммы и др.). Рынок биочипов для исследования ДНК, по его мнению, развивается быстрее, так как здесь меньше конкуренция с другими методиками, а значит более благоприятные условия. Именно на этот сегмент стоит делать ставку отечественным производителям.