Метод анализа отдельных живых клеток для выявления биомаркеров рака и других заболеваний

Лаборатория Иванова в Северо-Восточном университете разрабатывает технологии для множества диагностических тестов по одному забору крови, включая, в перспективе, тесты на рак.

Каждая клетка в организме покрыта слоем углеводов — гликопротеинов и гликолипидов (гликонъюгатов). Эти углеводы, или гликаны, играют ключевую роль в межклеточной коммуникации и реакции клетки на болезнь. Например, тесты на группу крови основаны на анализе гликанов.

Гликаны отражают тип и состояние клетки, что потенциально позволяет диагностировать различные заболевания, включая рак. Аномалии в представлении, типе, составе, химических связях и количестве гликанов на поверхности клетки несут полезную информацию для исследователей и диагностов, выступая биомаркерами болезней.

Команда под руководством Александра Иванова разработала метод анализа поверхностных гликанов отдельных живых человеческих клеток, а также гликанов в микролитровых объёмах плазмы и других компонентов крови.

Биомаркеры и новые технологии

В гликоме — полном наборе гликанов в клеточной среде — аномалии являются источником потенциальных биомаркеров для диагностики, прогноза и мониторинга лечения различных заболеваний (Nature Communications).

Основная тема исследований лаборатории — разработка новых методов пробоподготовки и разделения, сопряжённых с масс-спектрометрией, для анализа сложных биологических образцов. Гликозилирование (присоединение гликана к белку) — одно из самых распространённых и важных посттрансляционных изменений белков, dramatically меняющих их свойства и функции. Поэтому анализ гликанов, присоединённых к белкам и другим молекулам, очень информативен для понимания биологии клетки в здоровье и болезни.

Новые инструменты разделения и аналитические протоколы лаборатории Иванова помогают изолировать огромное разнообразие гликанов, участвующих в клеточных функциях, и потенциально идентифицировать биомаркеры, указывающие на изменения клеток из-за рака, аутоиммунных или нейродегенеративных заболеваний (например, болезни Альцгеймера).

Эксперименты в капиллярах

Ключевое преимущество метода — возможность анализировать живые клетки, сохраняя нативное состояние биологических образцов и их биомолекулярных компонентов. Это позволяет анализировать гликаны в их нативной, интактной форме, в исходном окружении.

Предыдущие методы характеризации гликанов полагались на химическое дериватизирование, что вело к потере контекстных данных, неоптимальному мечению, деградации гликанов, потере образца и неточному количественному определению.

В прошлогодней статье в Nature Communications лаборатория описала высокочувствительную технику, делающую анализ нативных гликанов возможным. Вся подготовка происходит в капиллярах — очень тонких стеклянных трубках (диаметром менее половины человеческого волоса). В такой капилляр изолируется отдельная клетка. Затем в капилляре высвобождаются и разделяются гликаны перед анализом масс-спектрометром.

Метод разделения — капиллярный электрофорез — разделяет компоненты клеточного образца на основе разницы в их заряде и размере.

Изначально было неясно, будет ли техника достаточно чувствительной для анализа такого малого количества материала из одной клетки. Раньше никто не анализировал, не количественно определял и не характеризовал структуру интактных белков и нативных гликанов из одной клетки. Внутрикапиллярные техники — лучший способ минимизировать потерю образца. Этот подход обеспечивает «безумную чувствительность»: удаётся детектировать большое разнообразие гликанов, высвобожденных всего из одной клетки.

Что дальше

Однако у анализа одиночных клеток есть пределы: ограниченное количество общего клеточного содержимого в одной клетке. Следующее направление работы лаборатории — нацеливание на множество модальностей биологических молекул в одиночных клетках (не только гликом), чтобы получить более полную картину состояния клетки.

Кроме того, планируется автоматизация процессов выделения и разделения клеток. Это приблизит новые биологические исследования и клинические применения. Лаборатория Иванова первой опубликовала работы в области прямого анализа гликом и интактных протеомов одиночных клеток, открыв эти области для активных исследований, которые теперь пытаются развивать и другие лаборатории.