ПЦР:
14.11.2019
История открытия современных методов молекулярной диагностики
Из архива газеты «Новости А/О Юнимед»
Потехин О.Е., к.м.н.
Целью любого лабораторного анализа является идентификация и определение концентрации искомого вещества. В современной медицине для этого широко используются методы молекулярной диагностики, в основе которых лежат иммунологические подходы или методы обнаружения специфической ДНК. К иммунологическим методам в первую очередь относят иммуноферментный анализ (ИФА). В плане обнаружения ДНК наибольшее распространение получил метод полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Эти распространенные методы широко используются для определения антител, антигенов, ДНК.
Открытие ИФА и ПЦР стало возможно благодаря ряду открытий в области иммунологии и молекулярной биологии в 60-80-годы прошлого века.
ИФА — метод выявления антигенов или антител, основанный на определении комплекса антиген-антитело за счет:
- предварительной фиксации антигена или антитела на подложке;
- добавления исследуемого образца и связывание фиксированных антигена или антитела с антигеном-мишенью или антителом-мишенью;
- последующего добавления антигена или антитела, меченного ферментативной меткой с ее детекцией с помощью соответствующего субстрата, изменяющего свою окраску под действием фермента. Изменение цвета реакционной смеси свидетельствует о присутствии в образце молекулы-мишени.Определение продуктов ферментативных реакций при исследовании тестируемых образцов проводят в сравнении с контрольными пробами.
В середине 60-х годов для идентификации и локализации антигенов в гистохимических препаратах и выявления полос преципитации в иммунодиффузионных и иммуноэлектрофоретических методах в качестве высокочувствительной метки было предложено использовать молекулы ферментов. Являясь мощными химическими катализаторами, ферменты способны эффективно осуществлять наработку легко детектируемого продукта, что делает возможным определение ферментной метки в весьма малых концентрациях. На протяжении последних двух десятилетий иммуноферментные методы анализа интенсивно развивались как в теоретическом, так и практическом плане и к настоящему времени они сформировались в самостоятельное научное направление, имеющее важное прикладное значение. Использование твердых носителей для сорбционной или ковалентной иммобилизации антител с последующим специфическим связыванием анализируемого соединения на иммуносорбенте и выявлением образовавшихся иммунокомплексов с помощью меченных ферментами компонентов положило начало методам твердофазного (гетерогенного) иммуноферментного анализа. Впервые такой анализ провели в 1971 году Е. Энгвал и П. Перлман для детекции IgG фракции иммуноглобулинов, К. Ван Веемен и А. Шурс для обнаружения эстрогенов.
Использование твердой фазы позволяет упростить процесс разделения компонентов реакции за счет иммобилизации одного из компонентов на твердой фазе и удаления субстанций, не участвующих в реакции. Основными требованиями, предъявляемыми к твердой фазе при проведении ИФА, являются устойчивость к растворам, используемым в реакции, и высокая специфическая емкость (т. е. способности сорбировать на своей поверхности антитела или антигены в количествах, необходимых для проведения реакции в сочетании с как можно меньшей неспецифической сорбцией белков из исследуемых образцов и коньюгатов). Наиболее распространенным способом иммобилизации антител или антигенов является адсорбция, процесс, при котором часть молекул за счет ионных и гидрофобных взаимодействий, а также образования водородных связей, присоединяется к поверхности твердой фазы. В качестве твердой фазы в большинстве коммерческих диагностических наборов используют полистироловые 96-ти луночные планшеты или полистироловые шарики.
Для ферментативной метки коньюгата могут быть применены разнообразные ферменты: пероксидаза хрена, щелочная фосфотаза, бета-галактозидаза, глюкозооксидаза и др. В качестве субстратного реагента также применяются разнообразные хромогенные вещества, продукты окисления которых как раз и регистрируются фотометрически при определенных длинах волн (волновой диапазон 340-750 нм).
Широкое использование стандартной конфигурации 96-луночного планшета позволило унифицировать оборудование, необходимое для проведения иммуноферментного анализа.
В 1972 г. К. Рубенштейн с сотр. разработали новый подход, заключающийся, в проведении всего анализа без использования твердой фазы. Метод получил название гомогенного ИФА и был основан на учете различий каталитических свойств ферментной метки в свободном виде и в иммунохимическом комплексе. В дальнейшем термин «гомогенный иммуноанализ» стал применим к любой системе иммуноанализа, в которой специфическая реакция взаимодействия антигена с антителом и определение глубины ее протекания осуществляются в гомогенном растворе.
Отсутствие стадии разделения свободного и меченого анализируемого соединения привело к сокращению времени проведения анализа до нескольких минут. Это исключительно важное обстоятельство позволило разработать диагностические иммуноферментные тест-системы экспресс-определения биологически активных соединений, нашедшие широкое применение в химической токсикологии, фармакологии, эндокринологии.
Основной принцип ИФА – специфическое связывание антитела с мишенью. Для получения антител первоначально использовали иммунизацию животных (обычно кролика) очищенным белком. Однако в этом случае получали смесь антител к разным антигенным детерминантам молекулы-мишени. Такую смесь антител называют поликлонильным препаратом. Использование поликлональных антител имело два существенных недостатка: 1) содержание отдельных антител в поликлональном препарате может варьировать от одной партии к другой; 2) поликлональные антитела нельзя применять, если необходимо различать сходные мишени, т.е. когда патогенная (мишень) и непатогенная (не-мишень) формы различаются единственной детерминантой.
Этим объясняются многочисленные «перекрестные» положительные реакции, которые приводят к ошибочным диагнозам.
Еще один серьезный недостаток: для получения антител каждый раз необходимо заново иммунизировать животных и очищать выделенную сыворотку. Это стоит немалых денег.
Благодаря разработке метода получения моноклональных антител (МАТ) с помощью техники гибридом стало возможно получение препаратов антител к одной антигенной детерминанте.
С.Мильштейн и Г.Келер за разработку техники получения гибридом, вырабатывающих МАТ с запрограммированной специфичностью, получили в 1984 году Нобелевскую премию в области медицины и физиологии. Они рассчитывали использовать гибридомы лишь для изучения генетики антител, а результат привел к подлинному буму. В основу метода положен давно известный принцип гибридизации (слияния) соматических, неполовых, клеток с последующим выделением и культивированием необходимого гибридного клона. Для слияния используют клетки двух видов. Первые — плазмоцитомы (опухолевые плазмоциты) из линий, культивируемых в искусственных условиях, invitro. Как и все злокачественные клетки они интенсивно размножаются без всякого внешнего стимула. Другие клетки —иммунные лимфоциты. Они несут в себе способность синтезировать и выделять необходимые антитела. Однако в пробирке эти клетки существуют лишь несколько дней.
Образовавшийся при слиянии двух клеток гибрид наследует признаки обоих «родителей».
К настоящему времени получены тысячи разнообразных МАТ, несколько тысяч гибридом, в т.ч. на 600 вирусных антигенов.
Преимущества МАТ:
- Главная особенность МАТ — чрезвычайная моноспецифичность (против одной антигенной детерминанты) и абсолютная однородность.
- Возможность многократного получения в течение длительного времени (воспроизводимость).
- Неограниченное количество получаемых антител.
По специфичности и чувствительности МАТ достигают значений, предельных для живой природы. Отсюда возможность использования для анализа антигенов не высокой степени чистоты.
Метод ИФА находится в постоянном развитии. С одной стороны, расширяется число объектов исследования, с другой - углубляются и совершенствуются методы самого анализа. Это приводит к тому, что упрощается схема анализа, сокращается время его проведения, уменьшается расход реагентов. Идет постоянный поиск все новых и новых веществ, используемых в качестве маркеров. Все возрастающее влияние на ИФА оказывают химия высокомолекулярных соединений, клеточная и генная инженерия, под влиянием которых меняются технологии получения реагентов для ИФА.
Еще одним из важнейших современных методов диагностики заболеваний внутренних органов является ДНК-диагностика методом полимеразной цепной реакции.
ПЦР позволяет найти в исследуемом материале небольшой участок генетической информации, заключенный в специфической последовательности нуклеотидов ДНК любого организма среди огромного количества других участков ДНК и многократно размножить его. ПЦР – это "in vitro" аналог биохимической реакции синтеза ДНК в клетке.
ПЦР — это циклический процесс, в каждом цикле которого происходит тепловая денатурация двойной цепи ДНК-мишени, последующее присоединение коротких олигонуклеотидов-праймеров и наращивание их с помощью ДНК-полимеразы путем присоединения нуклеотидов. В результате накапливается большое количество копии исходной ДНК-мишени, которые легко подаются детекции.
Открытию полимеразной цепной реакции сопутствовало развитие молекулярно-биологических технологий.
Первые данные о химических своиствах ДНК появились в 1868 г. К началу 50-годов ХХ в. было установлено, что ДНК – это линейный полимер, состоящий из нуклеотидов, состоящие из азотистого основания, пентозы и фосфатной группы. Основания бывают двух типов: пуриновые – аденин и гуанин и пиримидиновые – цитозин и тимин.
В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух комплиментарных полимерных цепей, образующих двойную спираль. Согласно модели Уотсона навитые одна на другую цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей. При этом аденин образует пару только с тимином, а гуанин – с цитозином. Каждая цепь служит матрицей при синтезе новой цепи, а последовательность в синтезируемой (растущей цепи) задается последовательностью комплементарных оснований цепи-матрицы. В 1955 г. А. Корнберг открыл в клетках фермент, который назвал ДНК-полимеразой. ДНК-полимеразы обеспечивают репарацию и репликацию ДНК.
Эти ферменты способны удлинять короткие олигонуклеотидные затравки (праймеры), присоединяя к 3'-концу цепи ДНК дополнительный нуклеотид, но для этого необходимо, чтобы праймер был гибридизован, т. е. связан с комплементарной цепью ДНК, которая называется матрицей. Раствор, в котором происходит эта реакция, должен содержать нуклеозидтрифосфаты (они используются в качестве строительных блоков).
Нуклеотид, который присоединяет ДНК-полимераза, комплементарен основанию в соответствующем положении матричной цепи. Многократно повторяя эту реакцию, полимераза способна удлинять 3'-конец праймера до тех пор, пока не достигнет 5 ' -конца матрицы. В ходе репарации и репликации двойной спирали ДНК каждая цепь служит матрицей для синтеза другой цепи.
В 1962 г. американские ученные Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи.
В 1971 г. Клеппе и соавт. представили данные, касающиеся состава ингредиентов реакционной смеси и принципы использования коротких искусственно синтезированных молекул ДНК-праймеров для получения новых копий ДНК. Однако возможность использования ПЦР в плане наработки огромного количества копий нуклеиновых кислот еще не рассматривалась. Возможно, это было связано с техническими трудностями связанными с необходимостью трудоемкого синтеза праймеров.
В 70-х годах были открыты специальные ферменты – рестрикционные эндонуклеазы, которые расщепляют ДНК в специфических точках. Исследователи получили возможность "разрезать" ДНК на более короткие и более стабильные фрагменты, которые просто идентифицировать. При этом стало проще выделять и изучать фрагменты ДНК с находящимися в них генами.
В начале 80-х годов проблема с синтезом праймеров была разрешена благодаря разработке автоматических синтезаторов ДНК.
В 1966 г. был открыт новый вид термофильной бактерии Thermusaquaticus (Taq), содержащий термостабильную Taq-ДНК-полимеразу. К. Мюллис в 1983-1984 гг. провел ряд экспериментов по разработке ПЦР и первый начал использовать Taq-ДНК-полимеразу вместо ранее использовавшейся неустойчивой к высоким температуры ДНК-полимеразы. Это позволило ускорить работы по разработке полимеразной цепной реакции. Кроме того, К. Мюллис совместно с Ф. Фалуном разработал алгоритм циклических изменений температуры в ходе ПЦР. Открытие ПЦР стало одним из наиболее выдающихся событий в области молекулярной биологии за последние 20 лет. За разработку ПЦР-анализа К.Мюллис в 1993 г. был удостоен Нобелевской премии в области химии.
Результатом открытия ПЦР стало немедленное практическое использование метода. В 1985 г. была опубликована статья, в которой была описана тест-система для диагностики серповидно-клеточной анемии на основе ПЦР. Начиная с 1986 г. К настоящему времени ПЦР посвящено более 10000 научных публикаций. Перспективы использования ПЦР представляются более чем впечатляющими.
В заключение хотелось бы сказать, что создатели любого диагностического метода должны стремиться к тому, чтобы он был: высокоспецифичным; высокочувствительным; достаточно простым и позволяющим получать однозначные результаты; иметь приемлемую стоимость исследования. ИФА и ПЦР сочетают эти качества в высокой степени.
- Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – М. – Мир. – 2002 г.
- Ройт А., Бростофф Дж., Мейл Д. Иммунология. – М.- Мир.- 2001 г.
- Тертон М., Бангхем Д.Р., Колкотт К.А. и др. Новые методы иммуноанализа. – М. - Мир. - 1991 г.
- Херрингтон С. и др. Молекулярная клиническая диагностика. Методы. - М. Мир. – 1999 г.