Технология TETRIS на основе ДНК-нанотехнологий раскрывает сложные белковые взаимодействия для диагностики рака
Исследователи из Института инноваций и технологий в здравоохранении НУС (iHealthtech) под руководством доцента Шао Хуилинь и доцента Брайана Лима разработали первую в своем роде технологию картирования разнообразных белковых взаимодействий в клетках с использованием ДНК-штрихкодов.
Технология, названная TETRIS, позволяет явно идентифицировать и количественно определять множество взаимодействующих партнеров в крупных белковых комплексах. Захватывая сложную иерархию белковых взаимодействий внутри опухолевых клеток, технология раскрывает детальные молекулярные механизмы, движущие прогрессирование болезни. Это обеспечивает более точную диагностику, позволяя точно подтипировать рак и выявлять агрессивные формы заболевания всего за несколько часов, что ранее было невозможно.
Кроме того, TETRIS предоставляет важную информацию, на основе которой врачи могут адаптировать терапевтические стратегии для отдельных пациентов. Например, идентификация конкретных белков и их взаимодействий, способствующих росту рака, может привести к таргетной терапии, улучшающей исходы для пациентов.
Результаты работы команды были опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering 19 июня 2024 года. Первыми авторами исследования являются доктор Лю Ю и доктор Ноа Сундах, научные сотрудники NUS iHealthtech.
Выявление скрытых раковых клеток
Белки отвечают почти за все основные процессы жизни. Понимание того, как эти строительные блоки жизни взаимодействуют друг с другом, является критически важным аспектом биологии и медицины.
Действительно, белки активно взаимодействуют друг с другом, чтобы управлять важными функциями и процессами как в здоровье, так и при болезни. Расшифровка этих взаимодействий может не только привести к лучшему прогнозированию поведения клеток, но и иметь широкие клинические применения — от улучшенной диагностики заболеваний до разработки более эффективных терапевтических стратегий.
Однако современные методы изучения этих взаимодействий имеют ограничения, такие как ложные результаты и неполное профилирование белковых взаимодействий.
Золотой стандарт — yeast-two hybrid assays — требует генетических манипуляций и ограничен попарными бинарными взаимодействиями, что делает его непригодным для клинических образцов. Другой распространенный метод — масс-спектрометрия на основе протеомики — часто пропускает слабые взаимодействия из-за сложной обработки образцов и также оценивает взаимодействия как бинарные.
В целом, эти методы не способны охватить весь спектр белковых взаимодействий, особенно взаимодействия высшего порядка, когда несколько белков взаимодействуют, образуя крупные функциональные комплексы. Изменения в белковых взаимодействиях высшего порядка часто связаны с более агрессивными типами рака.
Исследователи НУС обратились к ДНК-нанотехнологиям для решения проблемы.
«ДНК — это программируемый материал, который можно использовать для кодирования богатой информации, имея при этом предсказуемые взаимодействия. Это позволяет нам создавать сложные архитектуры с точным пространственным контролем на нанометровом масштабе», — сказала доцент Шао, руководившая разработкой TETRIS.
Используя преимущества ДНК-нанотехнологий, TETRIS задействует гибридные молекулярные структуры в качестве «умных» энкодеров для картирования белковых взаимодействий непосредственно в образцах пациентов. Каждый энкодер несет антитело, распознающее мишень, и шаблонный ДНК-штрихкод.
В действии энкодеры не только связываются с взаимодействующими белками, но и их штрихкоды сливаются билатерально со штрихкодами соседних единиц. Полученные штрихкоды, таким образом, захватывают всю информацию — молекулярную идентичность и пространственные отношения — и могут быть использованы для декодирования обширных белковых взаимодействий.
В отличие от современных методов, TETRIS измеряет как попарные, так и взаимодействия высшего порядка, обеспечивая тем самым комплексную картину сложного белкового интерактома.
«Думайте о белках как о делегатах на научной конференции. У каждого делегата есть бейдж с уникальным штрихкодом. Когда они взаимодействуют или "пожимают руки", TETRIS захватывает эти взаимодействия, связывая их штрихкоды вместе», — объяснил доцент Лим, руководивший разработкой алгоритмов для обработки данных, собранных TETRIS.
«Это создает цепочку взаимодействий, которую мы впоследствии можем считать и декодировать с помощью алгоритмов. Подобно тому, как мы видим, кто с кем общается на конференции, TETRIS позволяет нам видеть, как белки взаимодействуют внутри клеток, предоставляя линзу, через которую мы можем более эффективно понимать и диагностировать заболевания».
Отличительная особенность TETRIS заключается в его способности выполнять на месте кодирование и декодирование белковых взаимодействий непосредственно в клинических образцах. Технология была протестирована на биоптатах тканей рака молочной железы человека, на основе которых она точно диагностировала подтипы рака и выявила взаимодействия белков высшего порядка, связанные с агрессивностью рака.
Преобразование будущего здравоохранения
TETRIS обеспечивает более детальную и точную картину молекулярных основ заболеваний — это благо для диагностики и лечения рака. Изменения в белковых взаимодействиях высшего порядка, которые являются отличительными чертами агрессивных форм рака, можно легче обнаружить, что ведет к более обоснованным, персонализированным клиническим решениям.
Кроме того, TETRIS разработана с учетом масштабируемости и адаптивности. Технология может обрабатывать большое количество образцов и быстро генерировать результаты с использованием существующей лабораторной инфраструктуры, что позволяет интегрировать ее в рутинные клинические процессы с минимальными нарушениями.
Например, технологию можно использовать в кабинете врача, где образцы, полученные с помощью тонкоигольной аспирационной биопсии (более безопасной и малоинвазивной), могут быть быстро проанализированы для принятия решений о лечении.
Исследователи НУС планируют расширить применение TETRIS на другие типы рака и неврологические заболевания, потенциально прокладывая путь для новых диагностических инструментов и терапевтических вмешательств при широком спектре заболеваний.
Команда подала два патента на технологию и надеется коммерциализировать инновацию.