Ускоренный анализ повреждений ДНК стал возможен
Наша ДНК постоянно подвергается атакам из многих источников: радиация, ультрафиолетовый свет и загрязнители в пище и окружающей среде могут нанести ущерб генетическому материалу, потенциально приводя к раку и другим заболеваниям. Анализ повреждений ДНК критически важен для понимания этих болезней и поиска новых методов лечения, но современные инструменты для их обнаружения требуют кропотливой и долгой работы.
Команда биоинженеров MIT разработала новый способ быстрого выявления повреждений ДНК в различных условиях, что позволит сделать такой анализ рутинной частью таких приложений, как скрининг лекарств и эпидемиологические исследования воздействия факторов окружающей среды.
Новая методика основана на 30-летнем тесте, известном как «кометный анализ» (comet assay) — названном так из-за кометообразного следа, который поврежденная ДНК образует во время теста. Однако новая технология может анализировать гораздо большее количество клеток с гораздо большей скоростью, чем традиционный кометный анализ.
Технология, созданная в результате сотрудничества исследователей из Гарвардско-Массачусетского отделения наук о здоровье и технологий (HST) и Департамента биологической инженерии MIT, может предложить новый подход для эпидемиологов по обнаружению опасных воздействий окружающей среды задолго до того, как они вызовут рак, для клиницистов — для улучшения лечения рака, а для исследователей в фармацевтической промышленности — для выявления новых лекарств и отсева опасных препаратов.
«Мы ожидаем, что это может позволить проводить исследования в масштабах, которые ранее были невозможны», — говорит Дэвид Вуд, постдокторант в HST, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Критически важная особенность нашей технологии в том, что ее можно использовать для обнаружения генотоксичных [вызывающих мутации] агентов в окружающей среде, даже если доступно только самое базовое исследовательское оборудование», — говорит Бевин Энгелвард, доцент биологической инженерии и соавтор статьи.
В погоне за кометами
Кометный анализ основан на гель-электрофорезе, обычном лабораторном тесте, в котором электрическое поле прикладывается к ДНК, помещенной на полимерный гель, заставляя ДНК двигаться по гелю. Во время электрофореза поврежденная ДНК перемещается дальше, чем неповрежденная, образуя кометообразный след (поврежденная ДНК формирует «хвост» кометы).
Этот тест считается очень чувствительным, но также довольно трудоемким. Каждое экспериментальное условие требует своего предметного стекла микроскопа, и каждое стекло (содержащее сотни клеток) должно быть визуально изучено исследователем. Это ограничивает количество изучаемых условий.
Чтобы создать новую тестовую платформу, исследователи из лабораторий Бхатии и Энгелвард разработали концепцию микролунок, напечатанных в геле для электрофореза. С помощью метода микропаттернинга, разработанного Вудом и Бхатией, на геле создается сетка из тысяч крошечных углублений. Каждая клетка помещается в свое собственное углубление, получая «адрес», который остается постоянным на протяжении всего процесса. Более того, каждый гель можно разделить на различные среды, поместив над ним 96-луночный планшет. Каждая лунка содержит около тысячи клеток, что позволяет исследователям добавлять в каждую лунку разные лекарства или другие химические вещества для сравнения их воздействия на повреждение и восстановление ДНК.
Такая установка позволяет тестировать десятки экспериментальных условий всего на одном слайде и дает возможность автоматически анализировать слайды с помощью специально разработанного программного обеспечения для визуализации.
Новая методика — это «крупное достижение в развитии кометного анализа, более чем через 30 лет после его создания», — говорит Жан Каде, исследователь ДНК из Центра атомной энергии в Гренобле, Франция.
Технология была разработана для совместимости с базовым лабораторным оборудованием, поэтому ее может использовать практически любая лаборатория.
Чтобы продемонстрировать потенциальную полезность новой системы, исследователи оценили три соединения, предложенных в качестве потенциальных ингибиторов репарации ДНК. Такие соединения можно использовать для повышения эффективности химиотерапевтических агентов, предотвращая восстановление повреждений ДНК в раковых клетках, вызванных химиотерапией. Их исследование подтвердило более ранние прогнозы, что два соединения, известные как мирицетин и ДОФА, по-видимому, останавливают восстановление ДНК, в то время как третье, называемое NCA, практически не оказывает эффекта.
Команда MIT сейчас работает с исследователями в Таиланде над изучением воздействия загрязнителей воздуха на ДНК в клетках людей, живущих в сильно загрязненных регионах, по сравнению с жителями более чистых районов. В рамках связанного исследования они сотрудничают с исследователями из Медицинской школы Бостонского университета для сравнения клеток курильщиков и некурящих. Они также надеются соотнести способности к репарации ДНК отдельных клеток с генами, экспрессируемыми в этих клетках.