Атомно-силовую микроскопию приспособили для диагностики рака

Швейцарские ученые разработали наномеханический датчик для быстрой и простой диагностики формы меланомы. Принцип его работы напоминает атомно-силовой микроскоп. Отчет о работе опубликован в журнале Nano Letters.

Меланома — это злокачественное новообразование из пигментных клеток (меланоцитов). Она представляет собой наиболее опасную форму рака кожи, ежегодно поражающую более 200 тысяч и уносящую жизни более 50 тысяч жителей Земли. Примерно в половине случаев в клетки опухоли носят мутацию гена BRAF, обозначаемую BRAF^V600E. В последние годы были разработаны биопрепараты (такие как вемурафениб), селективно ингибирующие мутантную форму белка. Они продлевают жизнь пациентов эффективнее и с меньшим количеством побочных эффектов, чем обычная химиотерапия, но их назначение требует точной диагностики формы меланомы. В настоящее время BRAF^V600E выявляют методом ПЦР биоптата в реальном времени с последующим секвенированием ДНК. Такая диагностика занимает много времени, дорого стоит и часто приводит к ложноположительным результатам.

Чтобы упростить диагностику мутации, сотрудники Университетов Базеля и Лозанны разработали датчик с набором титаново-золотых кантилеверов (микроэлектромеханических зондов), которые аналогичны применяемым в атомно-силовой микроскопии. На поверхности этих зондов ковалентно связаны самособирающиеся слои небольших одноцепочечных ДНК из 18 нуклеотидов, которые комплементарны участкам РНК опухоли, содержащими искомую мутацию (РНК выбрали для диагностики, поскольку в клетке ее содержится больше, а также гетеродимер РНК/ДНК оказывает на зонд большее давление, чем гомодимер ДНК/ДНК). Контрольные зонды содержат слои олигонуклеотидов, комплементарных обычной форме BRAF, а также неспецифичные последовательности полиаденозилцитозина.

При нанесении на датчик специально подготовленной РНК из биоптатов пациента ее фрагменты с мутацией гибридизуются с соответствующими олигонуклеотидами. Возникающие стерические и ионные силы отклоняют кантилеверы, и по степени этого отклонения можно судить о присутствии мутантного гена, обычного его варианта или их обоих (одна и та же опухоль может содержать клетки с разными типами BRAF).

Эксперименты с клеточными линиями показали, что методика способна выявлять BRAF^V600E, если его доля составляет хотя бы пять процентов от всех копий гена в образце. В пилотном клиническом испытании с участием девяти пациентов диагностическая система смогла выявить мутантные образцы опухолей с точностью, не уступающей традиционной методике. При этом для проведения анализа не требуются ПЦР-амплификация или использование меченых молекул, а в качестве материала подходят как свежие, так и зафиксированные формалином или парафином образцы тканей.

Руководителем работы стал Кристоф Гербер — один из разработчиков атомно-силовой микроскопии (за это ему с соавторами в 2016 году присудили Премию Кавли в области нанонаук). «Тридцать лет назад мы не могли предвидеть, что наша технология однажды придет в клинику для нужд персонализированной медицины», — сказал он.

Исследователи отмечают, что разработанная методика может послужить для диагностики других опухолей и мутаций. К настоящему времени лаборатории Гербера удалось применить ее для анализа взаимодействия антигенов с антителами, ДНК с факторами транскрипции и антибиотиков с бактериями. Кроме того, ее адаптировали для изучения транскрипционной активности генов и функций трансмебранных белков.

Атомно-силовая микроскопия (модификация сканирующей туннельной микроскопии, созданная в 1982 году) позволяет с помощью кантилевера анализировать рельеф поверхностей с разрешением от нанометров до единичных атомов. Этот метод исследования широко применяется в физике, химии, биологии и смежных дисциплинах.

Олег Лищук