11 января 2022

Ученые создали новую систему для изучения гонококков

  • Медицина
  • Молекулярная биология
  • Нанотехнологии
  • Микробиология

Московские ученые создали и проверили на практике микрочип для выявления штаммов бактерии Neisseria gonorrhoeae, устойчивых к антибиотикам. Система обнаруживает 74 мутации в ключевых генах бактерии и помогает выяснить, какие лекарства можно использовать для лечения гонореи, а какие уже неэффективны. Разработка позволит контролировать устойчивость возбудителя к назначаемым препаратам, а также подбирать терапию для каждого конкретного случая. Результаты исследования, выполненного при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Polymers.

Ученые создали новую систему для изучения гонококков
Схема нового биочипа

Гонорея остается одной из самых распространенных бактериальных инфекций, передающихся половым путем (ИППП). Она поражает мочеполовую систему, но без лечения может дать осложнения на кожу, суставы, кости, нервную и сердечно-сосудистые системы. У заболевших повышается риск бесплодия и развития рака, а также заражения другими ИППП.

Только в прошлом году гонорею диагностировали примерно у 82 миллионов жителей планеты. Хотя больше всего случаев заражения отмечено на африканском континенте, плохие новости приходят в основном из развитых стран. Врачи заявляют о неэффективности проводимого антибактериального лечения, поскольку возбудитель болезни Neisseria gonorrhoeae чрезвычайно быстро приобретает устойчивость к лекарственным препаратам. В 2018 году в Великобритании и вовсе обнаружили штамм, устойчивый к основным антибиотикам, применяемым в терапии этой инфекции, — цефтриаксону и азитромицину. И этот случай не единичный.

«Наш проект посвящен исследованию инфекций репродуктивного тракта человека, включая изучение молекулярных механизмов, приводящих к лекарственной устойчивости N. gonorrhoeae, и способов выявления таких форм бактерий. Определение генотипа возбудителя очень важно для контроля за резистентными к лекарствам гонококками, а также помогает быстро подобрать терапию для конкретного пациента и таким образом снизить вероятность осложнений. Обычно применяемые методы секвенирования генома все еще довольно дороги и сложны, а потому необходимо разрабатывать более доступные подходы», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Борис Шаскольский, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта РАН (Москва).

Биологические микрочипы (биочипы) являются аналитическим инструментом, с помощью которого можно одновременно в одном образце анализировать множество параметров, например присутствие различных мутаций у бактерий, от которых зависит возможность лечения определенным лекарственным препаратом. В ИМБ РАН разработана технология биочипов на основе трехмерных гидрогелей. Устройство представляет собой пластиковую подложку размером с микроскопное предметное стекло, на которой расположен массив ячеек — микрокапель гидрогеля. Объем каждой из них составляет всего 0,1 нанолитра, а их количество может доходить до нескольких тысяч. Внутри капель помещают молекулярные зонды — короткие цепочки ДНК, комплементарные основным измененным участкам генов бактерий.

«Оригинальная технология изготовления была создана в ИМБ РАН. Трехмерная структура ячейки микрочипа помогает увеличить количество помещаемых зондов в 1000 и более раз, а потому усилить сигнал, даже если определяемых последовательностей в образце окажется мало. Более того, такая структура гидрогеля обеспечивает гораздо большую специфичность взаимодействия между зондом и анализируемым фрагментом ДНК бактерий. Это помогает детектировать клинически значимые маркеры с очень высокой специфичностью, выдавая результат в формате "да — нет"», — объясняет Дмитрий Грядунов, доктор биологических наук, заведующий лабораторией технологий молекулярной диагностики ИМБ РАН.

На основе технологии трехмерных биочипов сотрудники Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины ИМБ РАН и Государственного научного центра дерматовенерологии и косметологии Минздрава России (Москва) разработали аналитическую систему для выявлений мутаций, связанных с возникновением лекарственной устойчивости у гонококков. Биочип содержал 180 микрокапель с молекулярными зондами. Панель выявляемых мутаций включала 74 участка генома N. gonorrhoeae, которые могут объяснить устойчивость к основным группам антибиотиков.

Перед анализом на микрочипе исследователи проводят амплификацию («размножение») соответствующих последовательностей ДНК из образца от пациента в присутствии флуоресцентных меток. Далее раствор помещается в реакционную камеру биочипа, где происходит связывание меченных молекул с зондами в каплях. После отмывки от непрореагировавших молекул по флуоресцентному сигналу от определенной ячейки можно понять, какой именно мутацией обладает штамм N. gonorrhoeae.

Чтобы оценить, насколько хорошо работает микрочип, авторы испытали его на образцах с гонококками от 648 пациентов, собранных в различных регионах РФ за последние пять лет. Результаты анализа на биочипах совпали с теми, что получили обычно используемым секвенированием по Сэнгеру.

«Наша система позволила проанализировать устойчивость гонококков ко всем назначаемым антибиотикам, в том числе и тем, чье использование ограничено из-за появившейся резистентности. Так, в России наблюдается устойчивость бактерии к пенициллину, тетрациклину и ципрофлоксацину, а потому их нельзя применять для лечения гонореи. Вместе с тем все еще эффективны цефтриаксон и азитромицин», — подводит итог Борис Шаскольский.

Источник:  Пресс-служба РНФ