В 2020 году, когда учёные по всему миру пытались разобраться в COVID-19, профессор Рой Бар-Зив и его команда из Института науки Вейцмана начали разработку ДНК-чипа, который мог бы не только быстро показать, как наша иммунная система реагирует на этот коронавирус, но и открыть новые возможности для быстрого реагирования на будущие вспышки вирусных заболеваний.
Генетически запрограммированный биочип без клеток, описанный недавно в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, может быстро синтезировать, картировать и тестировать белки, позволяя определить, как антитела взаимодействуют с вирусами. Он выдаёт данные быстрее, чем традиционные методы, и показывает, какие фрагменты вируса атакуют антитела и насколько сильно они связываются с этими фрагментами.
«Во время пандемии мы поняли, что инструменты, разработанные нашей лабораторией, могут быть адаптированы для изучения вирусов и стать актуальными немедленно», — говорит Бар-Зив.
Изучение реакции иммунной системы на вирус — более сложная задача, чем быстрый диагностический тест, показывающий, инфицирован ли человек этим вирусом. Чтобы понять, какие антитела распознают вирус и как сильно они связываются с ним, исследователи обычно должны произвести каждый вирусный белок отдельно, очистить его и затем протестировать на антитела — процесс, который может занять дни или даже недели. Некоторые лаборатории используют миниатюрные жидкостные каналы, которые ускоряют тестирование, но эти установки сложны и зависят от точных насосов и трубок.
Биочип, созданный командой Бар-Зива, предлагает более простой способ проведения тестирования. Метод не требует насосов или трубок и может быть быстро адаптирован для нового вируса.
Использование биочипа не требует готовых белков; вместо этого они синтезируются чипом непосредственно на его кремниевой поверхности. Каждый участок чипа содержит небольшой участок напечатанной ДНК, который несёт генетические инструкции для конкретного вирусного белка или фрагмента белка, например, для нескольких вариантов коронавируса, включая различные версии его внешнего шипа и внутренней оболочки.
Каждый биочип может производить от 30 до 40 вирусных белков или фрагментов. Он использует около 1 микролитра сыворотки — меньше капли — чтобы выявить иммунный отпечаток человека по десяткам вирусных мишеней или антигенов. Поскольку каждый антиген появляется в разных положениях на чипе, команда может отдельно измерить, сколько антител связывается с каждым из них.
«Нам не нужно ничего выращивать или очищать заранее — каждое пятно на чипе создаёт свой собственный белок или фрагмент белка», — говорит Дюпен. «С десятками этих антигенов на одном чипе мы можем тестировать многие из них одновременно, в одном эксперименте, вместо того чтобы проводить отдельные тесты для каждого».
Из взаимодействий между этими белками и антителами исследователи могут определить силу связывания, то есть насколько крепко антитело захватывает свою мишень. Более сильное связывание обычно означает более эффективную иммунную защиту. «Измерение того, насколько сильно каждое антитело связывается со своей мишенью, даёт нам количественные результаты вместо простого ответа «да» или «нет», — объясняет Фоншак.
Команда сравнила данные своего биочипа со стандартными результатами ИФА (иммуноферментного анализа) на образцах сыворотки человека. Они обнаружили, что их чип часто выявлял активность антител, которую стандартные тесты ИФА пропускали, что говорит о том, что традиционные анализы иногда могут упускать более тонкие реакции антител.
Команда использовала эту установку для тестирования взаимодействий между белками COVID-19 и человеческими антителами против вируса. «От человека к человеку мы видели очень уникальные иммунные сигнатуры», — говорит Бар-Зив. «У некоторых людей были антитела против оригинального уханьского варианта, но не против дельта- или омикрон-вариантов. Поскольку чип помогает нам понять подробные ответы разных людей на вирус, мы также можем определить, могут ли изменения в новом варианте сделать их антитела менее эффективными».
Заглядывая в будущее, можно сказать, что этот же подход может быть использован для изучения антител к другим вирусам или для разработки новых терапевтических средств. «Многие лекарства сегодня основаны на антителах», — объясняет Даубе. «Если одно из них идеально связывается с вирусом, оно может блокировать инфекцию. Наша система может помочь найти таких кандидатов быстрее».
Чтобы продемонстрировать потенциал чипа, команда воссоздала взаимодействие между белком-шипом коронавируса и его человеческим рецептором ACE2 — шагом, который позволяет вирусу проникать в человеческие клетки. И белок-шип, и рецептор были произведены на чипе и связались друг с другом специфически. Это говорит о том, что платформа может быть использована для скрининга потенциальных терапий непосредственно на чипе путём добавления антител или других кандидатов в лекарства, которые блокировали бы это связывание. Если сигнал ослабевает, это будет означать, что антитело предотвращало прикрепление вируса к рецептору.
«Наш чип открывает дверь для тестирования того, как вирусы взаимодействуют с человеческими рецепторами — и как мы можем блокировать эти взаимодействия с помощью новых методов лечения», — говорит Бар-Зив.
Команда в настоящее время начинает сотрудничество с медицинским центром «Шиба», чтобы отслеживать иммунные ответы у пациентов с COVID-19 с течением времени, используя новый чип. Связывая данные об антителах с историями болезни пациентов, они надеются выявить закономерности иммунитета, которые могли бы направлять разработку будущих вакцин.
Искусственный интеллект — следующий шаг. «Мы можем использовать чип для анализа последовательностей антител, разработанных на компьютере, и тестировать их свойства с очень коротким временем выполнения», — говорит Бар-Зив. «Чип может ускорить и сделать более точным процесс проектирования ИИ».
Бар-Зив представляет будущее, в котором этот инструмент позволит реагировать на пандемию в режиме реального времени. «Если завтра возникнет новая вспышка, мы сможем взять генетическую последовательность этого вируса, сделать его белки на чипе и немедленно протестировать антитела. Это невероятно мощный инструмент для подготовки».