Создан новый инструмент для диагностики и прогноза развития аутоиммунных патологий

Ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и Московского физико-технического института разработали новый способ диагностики и мониторинга аутоиммунных патологий. Всего за 25 минут созданный ими биосенсор не только чрезвычайно точно измеряет концентрацию аутоантител в крови человека, но и впервые в мире определяет их активность. Сочетание этих параметров позволит выработать новые диагностические критерии для аутоиммунных заболеваний, а также новые подходы к их лечению.

Работа опубликована в Biosensors and Bioelectronics — самом высокорейтинговом научном журнале в области биосенсорных технологий и аналитической химии. Аутоантитела, вырабатываемые иммунной системой, ошибочно воспринимают собственные клетки и органы организма как мишени, подлежащие уничтожению. Так возникают различные аутоиммунные патологии. Известно около 80 таких заболеваний: от ревматоидного артрита, псориаза и волчанки до диабета I типа и рассеянного склероза.

Множество из них требует наблюдения и лечения на протяжении всей жизни для облегчения состояния пациентов. Аутоантитела определяются в крови примерно у 10 процентов населения. Широкая распространенность аутоиммунных патологий оказывает крайне негативное влияние на экономику, которое в ряде стран значительно превосходит урон от онкологических заболеваний. Аутоантитела появляются в крови задолго до возникновения симптомов болезни, и по их характеристикам можно спрогнозировать тяжесть заболевания.

Лечение аутоиммунных заболеваний в настоящее время существенно осложняется несогласованностью результатов тестов разных производителей. 

«В зависимости от того, где и каким методом вы делаете анализ, результаты определения концентрации аутоантител в одной и той же пробе пациента в один и тот же момент времени могут отличаться в 10 и более раз, — рассказывает один из авторов работы Алексей Орлов, старший научный сотрудник лаборатории биофотоники ИОФ РАН, научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологий МФТИ, выпускник МФТИ 2010 года. — Фактически до сих пор нельзя было говорить о концентрации аутоантител как об объективном численном параметре, который можно использовать, например, при оценке эффективности лечения».

Кроме того, существующие и применяемые в широкой клинической практике методы не позволяли оценивать активность аутоантител — показатель того, насколько быстро они способствуют разрушению ткани. Авторы опубликованной работы создали инструмент, решающий обе проблемы одновременно: теперь можно быстро и с высокой точностью измерять и концентрацию, и активность аутоантител.

Другая новаторская особенность разработки — одновременное определение в одном образце концентрации и активности аутоантител сразу к нескольким мишеням. Такой подход существенно увеличивает диагностическую ценность разработки. Дело в том, что разные уровни концентраций аутоантител к разным мишеням зачастую указывают на совершенно различные аутоиммунные заболевания. Корреляционный анализ данных, полученных одновременно для множества аутоантител, может существенно повысить точность диагностики.

«Поэтому мы называем нашу систему мультиплексной или многопараметрической, — говорит соавтор работы Аверьян Пушкарёв, аспирант МФТИ, выпускник МФТИ 2018 года. — Еще один наш козырь — применяемый для исследования расходный материал. Это обычное покровное стекло. Низкая стоимость расходных материалов особенно важна для массовой медицинской диагностики, где требуется применять одноразовые расходные материалы».

В работе показана одновременная характеризация аутоантител к двум мишеням, но авторы работают над увеличением их числа, поскольку с помощью так называемой микрочиповой технологии на такое стекло можно наносить до нескольких тысяч мишеней размером около 100 микрон каждая.

По поверхности стекла исследователи пропускают капельку сыворотки крови пациента, и начинается ее взаимодействие с мишенью. Если в сыворотке есть аутоантитела, они находят мишень и прикрепляются к ней, увеличивая толщину слоя на стекле. Под стеклом располагается интерферометрическая система, разработанная в ИОФ РАН. Этот уникальный оптический регистратор позволяет измерять толщину молекулярного слоя в любой точке стекла и следить за ее изменением в режиме реального времени.

«Очень важный нюанс: в отличие от многих других методик, у нас аутоантитела взаимодействуют не с неподвижными мишенями, а с движущимися, — добавляет Алексей Орлов. — Мы впервые в мире сумели изучить взаимодействие аутоантител с мишенями, которые находятся именно в том виде, как в организме, то есть в своей натуральной, естественной форме и среде».

Делается это так (смотрите иллюстрацию). После того, как аутоантитело присоединяется к закрепленной на поверхности стекла мишени, ученые пропускают вдоль поверхности раствор свободных молекул-мишеней. Тут авторам работы удалось реализовать подход, который до настоящего времени никто не смог применить на практике для решения этой важной задачи. У каждого аутоантитела есть распознающий участок — «рука», которой оно хватает мишень, так называемый Fab-фрагмент.

Таких «рук» у него не одна, а две или больше. Одной из них антитело держится за неподвижную мишень, а другими «ловит» подвижные мишени. Этот процесс отражает подлинную (нативную) активность антитела, которую теперь можно измерить численно. Более того, такая схема позволяет, с одной стороны, закрепить на стекле аутоантитела из сыворотки крови, сохраняя при этом их естественную форму, а с другой, максимально избежать присоединения других компонентов, которые могут сильно исказить получаемые данные.

Аутоантитело имеет так называемые «руки» — распознающие участки. В процессе исследования антитело одной «рукой» держится за неподвижную мишень, другой — хватает движущиеся мишени. Этот процесс отражает активность аутоантитела, которую можно измерить численно / ©Алексей Орлов / Biosensors and Bioelectronics / Пресс-служба МФТИ

«Мы разработали не только эффективное диагностическое средство, но и уникальный инструмент изучения аутоантител, — считает руководитель авторского коллектива, заведующий лабораторией биофотоники ИОФ РАН Петр Никитин, выпускник МФТИ 1979 года. — На образцах крови пациентов показано, что количественная величина активности аутоантител является параметром, не зависящим от их концентрации. Клиницисты получили возможность осуществлять количественный мониторинг обоих важных параметров непосредственно в процессе течения болезни и разрабатывать на основе этого новые методики диагностики и лечения аутоиммунных заболеваний». 

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.