QuantumDots и ранняя диагностика рака

Используя нанокристаллы, получившие название QuantumDots (в русскоязычной литературе этот термин пока не имеет эквивалента, хотя его можно было бы перевести как «квантовые точки»), исследователи из Онкологического Центра Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Kimmel Cancer Center) разработали высокочувствительный метод для обнаружения процесса аномального метилирования ДНК, часто являющегося ранним признаком онкогенеза. Этот тест, позволяющий определять не только наличие, но и количество определенных изменений в ДНК, может предупреждать об опасности людей, подверженных риску развития заболевания, и служить врачам методом контроля эффективности лечения рака.

О новом методе было сообщено в статье «MS-qFRET: a quantum dot-based method for analysis of DNA methylation», опубликованной в августовском выпуске журнала Genome Research. Работа также была представлена на конференции американской Ассоциации по изучению рака (American Association of Cancer Research).

«Если этот метод способствует раннему обнаружению рака, то он будет иметь огромное клиническое значение. Обычно наибольшего успеха в терапии рака добиваются те врачи, которые начинают лечение на ранних стадиях заболевания», – сказал профессор Джефф Вонг (Jeff Tza-Huei Wang), чья лаборатория играла ведущую роль в разработке данного метода.

Вонг и его коллеги разрабатывали тест на протяжении трех последних лет совместно с коллегами из Онкологического Центра Джонса Хопкинса. Стивен Б. Бэйлин (Stephen B. Baylin), исполнительный директор Центра и соавтор статьи, сказал, что метод создает «очень многообещающую платформу» для ранней диагностики рака и прогноза исхода заболевания при лечении.

Недавно в демонстрационных целях было проведено исследование, которое включало обнаружение маркеров ДНК в слюне пациентов с раком легкого. По сравнению с современными методами тест показал большую чувствительность и занимал гораздо меньше времени. «Эта техника производит потрясающее впечатление, но она должна быть испытана на многих реальных случаях. Некоторые из этих исследований уже идут полным ходом. В случае положительных результатов этот метод получит широкое применение в ближайшие пять лет», – сообщил Бэйлин.

Мишенью данного метода является биохимическая модификация, получившая название метилирования ДНК (присоединения метильной группы к цитозину, одному из четырех нуклеотидов – основных структурных компонентов молекулы ДНК). Когда неправильному метилированию подвергаются регуляторные гены, нередко нарушаются транскрипция и процесс синтеза белков, подавляющих канцерогенез. В результате этого могут возникать злокачественные клетки. Человек, в ДНК которого появился такой аномально метилированный ген, подвержен повышенному риску онкологического заболевания. Более того, неправильное метилирование служит первопричиной генетических мутаций – еще одного предвестника рака.

Для обнаружения ДНК с измененным свойствами исследователи разработали метод выделения нитей ДНК с нарушенным профилем метилирования, а также их визуализации. В качестве флуоресцентной метки ДНК были использованы QuantumDots, представляющие из себя кристаллы полупроводникового материала диаметром несколько нанометров, соединенные с молекулой флуоресцентного красителя. Подобные кристаллы обычно используются в электронных схемах, но в последнее время стали успешно применяться и в биологии. Когда свет попадает на «квантовую точку», она быстро передает его энергию молекуле красителя, который под ее действием начинает флуоресцировать. Этот механизм заставляет светиться нити ДНК с нарушенной структурой. К одной частице QuantumDot в данном эксперименте исследователям удалось «пришить» до 60 нитей ДНК. Анализируя такую ДНК с помощью специального прибора – проточного цитофлуориметра, исследователи могут установить, содержит ли образец раковую ДНК, и в каком количестве. Повышенное количество таких молекул может быть сопряжено с высоким онкологическим риском.

«Такая информация даст возможность пациентам с положительным тестом на метилирование более часто проходить скрининговые обследования на рак. Данный метод должен заменить традиционные, более травматичные способы забора образцов крови для анализа. Кроме того, результаты, получаемые с помощью данного метода, будут полезны и врачам при оценке эффективности противораковой терапии. Это открывает путь к персональной химиотерапии», – сказал Вэзудев Дж. Бэйли (Vasudev J. Bailey), один из двух главных авторов статьи.

Кроме того, поскольку различным онкологическим заболеваниям присущи специфические генетические маркеры (маркеры рака легкого, например, отличаются от маркеров лейкемии), исследователи считают, что метод можно будет в будущем использовать для определения того, риску какого ракового заболевания подвергнут пациент.

Специалисты Johns Hopkins Technology Transfer подали заявку на получение международного патента на изобретение и ведут переговоры с биотехнологической компанией, проявившей заинтересованность в получении лицензии на применение нового метода.


На этом рисунке, сделанном Yi Zhang, QuantumDots изображены в виде золотых сфер, которые покрыты нитями ДНК с нарушенным профилем метилирования. Когда «квантовые точки» подвергаются действию света с определенной длиной волны, они передают энергию флуоресцирующим молекулам (показаны в виде розовых шаров), испускающим свечение. Это позволяет исследователям обнаружить и посчитать аномальные нити ДНК.

По материалам:
Johns Hopkins University