БІОЧІП (БІОЛОГІЧНИЙ МІКРОЧІП)

БІОЧІП (БІОЛОГІЧНИЙ МІКРОЧІП) (англ. biochip) — 1) матриця з нанесеними молекулами білків або нуклеїнових кислот для одночасного проведення великої кількості аналізів в одному зразку; 2) електронний пристрій, що містить біологічні молекули; 3) мініатюрний датчик, здатний виявити зникаючі малі концентрації білків, гормонів, ДНК або РНК. Б. становить крихітну пластинку — платформу, на яку можна нанести до кількох тисяч мікротестів. Частіше використовують скляні або пластикові платформи, на які наносять біологічні макромолекули (ДНК, білки, ферменти), здатні вибірково зв’язувати речовини, які містяться в аналізованому розчині. Залежно від природи молекул виділяють види Б., орієнтовані на різні цілі. Основна частка сучасних Б. припадає на ДНК-чіпи (94%) та білкові чіпи (6%). Пристрій дозволяє за короткий час визначити декілька тисяч алергенів, онкогенів, різних БАР і навіть генетичні дефекти.

У наш час для виробництва Б. використовується складне обладнання та нанотехнології, що дозволяє «пришивати» лазерним випромінюванням аналізатори прямо до гелевої підложки, принцип дії яких заснований на методі одномолекулярної мас-спектрометрії (проведення досліджень на окремих молекулах). На сьогодні створені Б. на основі наноструктур (польового кремній-алюмінієвого нанотранзистора, який містить одностінні нанотрубки); на основі графену і наночастинок платини; сенсори на основі нанозондів, які приєднані до полімерних векторів, і мають будову та функції вірусів (призначені для проникнення у клітини людського організму та аналізу клітин); сенсори, що становлять нанотрубки, вкриті ДНК; Б. на ДНК-основі, з використанням технології нанодрукування та супрамолекулярного нанодрукування (в основі дії яких лежить існуюча в природі технологія копіювання ДНК і РНК). Б. широко використовують в in vitro-діагностиці. В основі їх механізму дії є молекулярне розпізнавання молекул, які взаємодіють із біополімерами, нанесеними на чіп. Так, Б. використовують для діагностики туберкульозу, кліщових інфекцій, лейкемії, СНІДу, онкозахворювань, а також для експрес-діагностики вірусу грипу та стафілококової інфекції, для раннього виявлення хвороби Альцгеймера, яка відрізняється від хвороби Паркінсона. Б. ідентифікують за лічені хвилини сполуки різної хімічної природи: від білків, вітамінів, вірусів, ДНК до живих клітин у біологічному матеріалі, що дозволяє проводити діагностику захворювань на ранніх стадіях. ДНК-діагностика допомагає виявляти певну послідовність ДНК, розшифровувати генетичну інформацію, визначати функції всіх білків організму, виявляти гени, що несуть мутацію, а також дає можливість визначати генетичну схильність людини до раку, діабету, наркоманії тощо, виявляти хромосомні порушення. Сучасні Б. здатні детектувати навіть одну хімічну сполуку чи вірусну частку. Деякі Б. на основі наноструктур за 1 хв можуть визначати вміст в 1 мм3 рідини до 1000 окремих молекул потрібної речовини, при цьому немає необхідності маркувати розчини радіоактивними чи флуоресцентними мітками. Існують Б. для вимірювання рівня глюкози шляхом швидкого та надчутливого аналізу зразків слини, сечі або сліз. Біосенсори із флуоресцентною фарбою придатні для використання в польових умовах з метою виявлення навіть незначної концентрації сальмонели в харчових продуктах за короткий час. Б. забезпечують виявлення молекулярної взаємодії між білками вірусів (ВІЛ, гепатиту та ін.) та білками, які синтезуються клітинами людського організму, що піддаються інфекції — це важливо при розробленні нових методів боротьби з вірусами.

Б. використовують у криміналістиці (для експрес-ДНК-дактилоскопії за межами лабораторії, навіть визначають колір очей із точністю 94%). Особливу групу становлять імунологічні Б. (ІБ), які використовують для створення діагностичних тест-систем із метою визначення імунофенотипу для діагностики захворювань, пов’язаних із порушенням клітинної ланки імунітету. ІБ призначені для використання в гематології (для дослідження клітин пухлин лімфатичної системи та клітин мієлоїдних пухлин, що дозволяє визначити не просто наявність захворювання, а і його тип).

Особливе місце посідають Б. для імплантації, внутрішньоклітинні та Б. для діагностики методом in vivo. Нанобіочіпи можна використовувати для імплантації пацієнтам із хронічними захворюваннями, для ранньої діагностики злоякісних пухлин і небезпечних вірусних захворювань. Б. використовують також для розроблення наномедичних знеболювальних систем, які містяться в організмі, реагують на біль та вивільняють дозу лікарської речовини. Сенсор із нанотрубок, вбудованих у структуру ДНК, здатний виявляти в живій клітині ліки, токсини, вільні радикали і використовуватися для моніторингу забезпечення клітини лікарською речовиною. Існують сенсори, що дозволяють відстежити наявність і виміряти вміст ліпідів у живій клітині або рівень рН клітини.

Отже, технологія Б., що замінюють цілі імунологічні лабораторії, дає можливість на кілька порядків підвищити продуктивність більшості діагностичних методів і значно знизити собівартість аналізів; їх використання робить аналіз більш швидким, точним та якісним.

Літ.: Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. — M., 2009; Залесский В.Н., Дынник О.Б. Молекулярная визуализация в медицине: проблемы и перспективы // Укр. мед. часопис. — 2005. — № 2 (46); Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов / Под ред. С.В. Калюжного. — М., 2010; A dielectric-modulated field-effect transistor for biosensing / H. Im, X.-J. Huang, B. Gu, Y.-K. Choi // Nature Nanotechnology. — 2007. — Vol. 2, № 7; Arlett J.L., Myers B., Roukes M.L. Comparative advantages of mechanical biosensors // Nature Nanotechnology. — 2011. — Vol. 6, № 4; Cell-free protein synthesis and assembly on a biochip / Y. Heyman, A. Buxboim, S.G. Wolf et al. // Nature Nanotechnology. — 2012. — Vol. 7, № 6; Huber F., Lang H.P., Gerber C. Biosensors: new leverage against superbugs // Nature Nanotechnology. — 2008. — Vol. 3, № 11.