Создан новый биосенсор для диагностики и мониторинга лечения аутоиммунных заболеваний

Ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и Московского физико-технического института разработали новый способ диагностики и мониторинга аутоиммунных патологий. Всего за 25 минут созданный ими биосенсор не только чрезвычайно точно измеряет концентрацию аутоантител в крови человека, но и впервые в мире определяет их активность. Сочетание этих параметров позволит выработать новые диагностические критерии для аутоиммунных заболеваний, а также новые подходы к их лечению. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в Biosensors and Bioelectronics — самом высокорейтинговом научном журнале в области биосенсорных технологий и аналитической химии.

Аутоантитела, вырабатываемые иммунной системой, ошибочно воспринимают собственные клетки и органы организма как мишени, подлежащие уничтожению. Так возникают различные аутоиммунные патологии. Известно около 80 таких заболеваний — от ревматоидного артрита, псориаза и волчанки до диабета I типа и рассеянного склероза. Множество из них требует наблюдения и лечения на протяжении всей жизни для облегчения состояния пациентов. Аутоантитела определяются в крови примерно у 10 % населения. Широкая распространенность аутоиммунных патологий оказывает крайне негативное влияние на экономику, которое в ряде стран значительно превосходит урон от онкологических заболеваний. Аутоантитела появляются в крови задолго до возникновения симптомов болезни, и по их характеристикам можно спрогнозировать тяжесть заболевания.

Лечение аутоиммунных заболеваний в настоящее время существенно осложняется несогласованностью результатов тестов разных производителей.

«В зависимости от того, где и каким методом вы делаете анализ, результаты определения концентрации аутоантител в одной и той же пробе пациента в один и тот же момент времени могут отличаться в 10 и более раз, — рассказывает один из авторов работы Алексей Орлов, старший научный сотрудник лаборатории биофотоники ИОФ РАН, научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологий МФТИ, выпускник МФТИ 2010 года. — Фактически до сих пор нельзя было говорить о концентрации аутоантител как об объективном численном параметре, который можно использовать, например, при оценке эффективности лечения».

Такая несогласованность результатов тестов разных производителей объясняется тем, что аутоантитела представляют собой очень сложный, необычный объект. Это совокупность множества разнородных молекул, которые совершенно по-разному взаимодействуют между собой и с мишенью. До сих пор не существовало методики и инструмента, который бы позволял учитывать этот фактор.

Кроме того, существующие и применяемые в широкой клинической практике методы не позволяли оценивать активность аутоантител — показатель того, насколько быстро они способствуют разрушению ткани. Авторы опубликованной работы создали инструмент, решающий обе проблемы одновременно: теперь можно быстро и с высокой точностью измерять и концентрацию, и активность аутоантител.

Другая новаторская особенность разработки — одновременное определение в одном образце концентрации и активности аутоантител сразу к нескольким мишеням. Такой подход существенно увеличивает диагностическую ценность разработки. Дело в том, что разные уровни концентраций аутоантител к разным мишеням зачастую указывают на совершенно различные аутоиммунные заболевания. Корреляционный анализ данных, полученных одновременно для множества аутоантител, может существенно повысить точность диагностики.

«Поэтому мы называем нашу систему мультиплексной или многопараметрической, — говорит соавтор работы Аверьян Пушкарёв, аспирант МФТИ, выпускник МФТИ 2018 года. — Еще один наш козырь — применяемый для исследования расходный материал. Это обычное покровное стекло. Низкая стоимость расходных материалов особенно важна для массовой медицинской диагностики, где требуется применять одноразовые расходные материалы».

В работе показана одновременная характеризация аутоантител к двум мишеням, но авторы работают над увеличением их числа, поскольку с помощью так называемой микрочиповой технологии на такое стекло можно наносить до нескольких тысяч мишеней размером около 100 микрон каждая.

По поверхности стекла исследователи пропускают капельку сыворотки крови пациента, и начинается ее взаимодействие с мишенью. Если в сыворотке есть аутоантитела, они находят мишень и прикрепляются к ней, увеличивая толщину слоя на стекле. Под стеклом располагается интерферометрическая система, разработанная в ИОФ РАН. Этот уникальный оптический регистратор позволяет измерять толщину молекулярного слоя в любой точке стекла и следить за ее изменением в режиме реального времени.

«Очень важный нюанс: в отличие от многих других методик, у нас аутоантитела взаимодействуют не с неподвижными мишенями, а с движущимися, — добавляет Алексей Орлов. — Мы впервые в мире сумели изучить взаимодействие аутоантител с мишенями, которые находятся именно в том виде, как в организме, то есть в своей натуральной, естественной форме и среде».

Делается это так (см. иллюстрацию). После того как аутоантитело присоединяется к закрепленной на поверхности стекла мишени, ученые пропускают вдоль поверхности раствор свободных молекул-мишеней. Тут авторам работы удалось реализовать подход, который до настоящего времени никто не смог применить на практике для решения этой важной задачи. У каждого аутоантитела есть распознающий участок — «рука», которой оно хватает мишень, так называемый Fab-фрагмент. Таких «рук» у него не одна, а две или более. Одной из них антитело держится за неподвижную мишень, а другими «ловит» подвижные мишени. Этот процесс отражает подлинную (нативную) активность антитела, которую теперь можно измерить численно. Более того, такая схема позволяет, с одной стороны, закрепить на стекле аутоантитела из сыворотки крови, сохраняя при этом их естественную форму, а с другой — максимально избежать присоединения других компонентов, которые могут сильно исказить получаемые данные.