Ученые из Института Вейцмана создали ДНК-чип, способный быстро синтезировать вирусные белки и тестировать реакцию на них иммунной системы конкретного человека.

Человечество было не готово к пандемии COVID-19 и быстрому распространению нового вируса. Пока разрабатывали тест-системы для анализа иммунного ответа на один штамм, уже циркулировали другие варианты. Традиционные методы требуют недель на производство и очистку каждого вирусного белка, а вирус мутирует быстрее.

Команда профессора Роя Бар-Зива из Института Вейцмана разработала биочип, который решает эту проблему за счет универсальности и скорости.

Технология, описанная в журнале Nature Nanotechnology, позволяет синтезировать десятки вирусных белков непосредственно на кремниевой поверхности чипа и тестировать их взаимодействие с антителами из крови конкретного пациента.

На поверхность чипа ученые нанесли фрагменты вирусной ДНК с генетическими инструкциями для синтеза конкретных белков. При добавлении бесклеточной смеси биологических молекул эта ДНК начинает создавать вирусные белки. Затем на чип наносят каплю сыворотки крови пациента и наблюдают, к каким белкам прилипают антитела, то есть каким вирусам готова противостоять иммунная система.

Каждый биочип может производить 30-40 вирусных белков одновременно. Это позволяет определить, защищен ли конкретный человек от разных вариантов вируса. Например, есть ли у него антитела против исходного уханьского коронавируса, дельты или омикрона, и насколько эффективно они работают. Система дает количественные результаты о силе иммунного ответа, а не только отвечает "да" или "нет".

Ученые подчеркивают: "Мы не нуждаемся в долгом предварительном выращивании вирусного белка – каждое пятно на чипе производит собственный белок или его фрагмент. Имея десятки таких антигенов на одном чипе, мы можем протестировать их одновременно".

«Нам не нужно ничего выращивать или очищать заранее — каждая точка на чипе производит свой собственный белок или фрагмент белка», — говорит Дюпен. «Благодаря десяткам таких антигенов на одном чипе мы можем тестировать многие из них одновременно в одном эксперименте, вместо того чтобы проводить отдельные тесты для каждого из них».

Биочип, созданный командой Бар-Зива, предлагает гораздо более простой способ проведения тестирования. Метод не требует насосов или трубок и может быть быстро адаптирован для нового вируса. Его разработкой руководили старший научный сотрудник доктор Ширли Даубе, а также доктора Аврора Дюпен и Охад Воншак из лаборатории Бар-Зива в отделе химической и биологической физики Вейцмана.

Главное преимущество технологии – это готовность к возможной будущей пандемии.

"Если завтра возникнет новая вспышка, мы сможем взять генетическую последовательность этого вируса, произвести его белки на чипе и немедленно протестировать антитела, – говорит соавтор работы профессор Рой Бар-Зив.

– Не нужно месяцами разрабатывать новые тест-системы под каждый вариант".

Команда сравнила данные, полученные с помощью биочипа, с результатами стандартного ИФА (иммуноферментного анализа) образцов сыворотки крови человека. Они обнаружили, что их чип часто выявлял активность антител, которую не обнаруживали стандартные ИФА-тесты, что говорит о том, что традиционные анализы иногда могут упускать из виду более тонкие реакции антител.

Чтобы продемонстрировать потенциал чипа, команда воссоздала взаимодействие между шиповидным белком коронавируса и его человеческим рецептором ACE2 — этап, позволяющий вирусу проникать в клетки человека. И шиповидный белок, и рецептор были синтезированы на чипе и специфически связывались друг с другом. Это говорит о том, что платформу можно использовать для скрининга потенциальных методов лечения непосредственно на чипе путем добавления антител или других лекарственных препаратов, которые блокировали бы это связывание. Если сигнал ослабевает, это означает, что антитело предотвращает прикрепление вируса к рецептору.

Изображение биочипа, полученное с помощью флуоресцентного микроскопа, демонстрирует множество мельчайших отсеков, каждый из которых содержит различный антиген, что позволяет одновременно тестировать взаимодействие всех этих антигенов с человеческим антителом.

«Наш чип открывает возможности для изучения того, как вирусы взаимодействуют с человеческими рецепторами, и как мы могли бы блокировать эти взаимодействия с помощью новых методов лечения», — говорит Бар-Зив.

В настоящее время команда начинает сотрудничество с медицинским центром «Шеба» для отслеживания иммунного ответа у пациентов с COVID-19 с течением времени с помощью нового чипа. Сопоставляя данные об антителах с историей болезни пациентов, они надеются выявить закономерности иммунного ответа, которые могли бы помочь в разработке будущих вакцин.

Научные исследования профессора Роя Бар-Зива поддерживаются Институтом материаловедения и магнитно-резонансных исследований им. Ильзы Кац; Исследовательским фондом биологической физики им. Исаака Фердинанда Двосиа Артмана; и семьей Гарольда Перлмана.

Профессор Бар-Зив занимает профессорскую кафедру химической физики имени Эриха Клигера.

Перевод с английского

ИСТОЧНИК

ИСТОЧНИК

Ежемесячный американский журнал, который издается с 1993 года. Издание посвящено влиянию новых технологий на сферы культуры, экономики и политики