2.2 Протеомные технологии в медицине

Протеомика – это медико-биологическая наука, занимающаяся изучением совокупности всех белков клетки (органа, ткани, организма), их взаимодействия между собой и реакций на изменяющиеся условия внешней или внутренней среды.

Задачи протеомных технологий:

1. Изучение всех белков, содержащихся в исследуемом образце (их количественные характеристики и качественное определение (структуры)). Некоторые технологии могут определить только количественную составляющую.

2. Систематизация полученных данных путем стандартизированного описания белков.

3. Проведение аналитического фракционирования полипептидных цепей по двум независимым друг от друга физико-химическим свойствам, которые отражают особенности их первичной структуры.

4. Выявление различных белковых фракций путем их разделения (используются высокочувствительные методы детекции белков – некоторые модификации масс- спектрометрии) [3, c. 73].

Первое применение протеомных исследований на практике состоялось еще в начале XX в. - тогда были созданы первые препараты инсулина.

На основе данных протеомики создаются протеомные карты амниотической жидкости и сыворотки крови, использующиеся для диагностики некоторых патологий беременности.

Методы протеомики широко используются при создании новых вакцин (для определения антигенов, выработка антител к которым обеспечивала бы эффективность вакцины).

Так как имеется зависимость болезненного состояния человека от изменений в белковом составе (гормонов, ферментов и др.) организма, данные протеомики позволяют разрабатывать новые лекарственные средства и новейшие методы лечения заболеваний. 95% всех известных на сегодняшний день фармакологических средств оказывают свои терапевтические эффекты за счет воздействия на белковые структуры организма, а исследования в области протеомики позволяют определить наиболее предпочтительные для них молекулярные мишени.

В частности, поиску новых белков-мишеней помогает составление протеомных карт тех или иных тканей в норме и при различных патологических состояниях. Эти различия позволяют установить, какие именно белки играют роль в развитии исследуемого заболевания, и, соответственно, определить их как мишени для терапевтического/профилактического воздействия, а также использовать полученные знания в диагностических целях.

Протеомика позволяет идентифицировать новые белки и оценить роль их появления, что ускоряет разработку и внедрение новых терапевтических средств и диагностических тестов. Так, методики протеомики в настоящее время используются для диагностики гепатитов и злокачественных новообразований. При онкологических заболеваниях определение белков-маркеров также имеет прогностическое значение и служит для оценки эффективности лечения.

Сравнение протеомных карт нормальных и опухолевых клеток, а также сравнение состояния клеток перед воздействием каких-либо факторов (химических, включая, лекарства, физических и др.) и после них, позволяет определить наиболее эффективные и в то же время безопасные для неизмененных клеток методы терапии [7, c. 173].

Таким образом, протеомные исследования позволяют подтвердить/ опровергнуть валидность мишеней для разрабатываемых препаратов, изучить механизм действия лекарственного вещества и его токсичность, определить точность биомаркеров

Протеомные исследования позволяют определять род и виды патогенных и других микроорганизмов. Для этого интактные бактериальные клетки помещают на металлическую мишень специального аппарата (масс-спектрометра), затем покрывают матрицей и воздействуют на них лазерным излучением, в результате чего получаются специфичные профили, которые по характерным массам идентифицирует обученный алгоритм.

Путем сравнения протеомного состава двух организмов (необязательно состоящих в близкородственных связях) можно выявить белки, являющиеся общими для них, и белки, наличием которых объясняются различия их фенотипов. Такая информация является полезной для понимания процесса эволюции, а в некоторых случаях она также позволяет определить неизвестные ранее функции белков. Так, с помощью сравнительной протеомики были определены белки в организме насекомых Nilaparvata lugens, которые участвуют в процессах, связанных с размножением, и экспрессия которых изменяется после обработки инсектицидами.

Методы протеомики:

1. Изоэлектрофокусированием (ИЭФ) называют метод разделения белков под действием электрического поля в среде с градиентом pH, который создается амфолитами, способными переносить ток (хорошая проводимость), а также создавать локально и поддерживать рН (хорошая буферная емкость).

2. Один из электрофоретических методов – особая модификация метода Лэммли, использующего ионный детергент – додецилсульфат Na (SDS). За счет гидрофобных взаимодействий, используемый детергент практически одинаково связывается с подавляющим большинством белков в соотношении 1.4 мг SDS на 1 мг белка. Огромный избыток полностью диссоциированных остатков сульфокислоты делает несущественной роль заряда самого белка. Электрофоретическая подвижность комплекса белок-SDS в градиентном геле оказывается линейно связана с десятичным логарифмом его молекулярной массы (M). Таким образом, эта система обеспечивает разделение белков по различиям в M.

3. Идентификация миросеквенированием основана на определении (расшифровке) части аминокислотной последовательности белка. Разработанные методы микросеквенирования позволяют работать с очень малыми количествами пептидов - вплоть до нанограммовых. Это важно, так как определение даже короткого фрагмента аминокислотной последовательности часто оказывается решающим для идентификации целого белка. В настоящее время возможно как проведение прямого N-концевого секвенирования белка, перенесенного на инертную мемебрану, так и секвенирование отдельных пепетидов, полученных из изучаемого белка после его ферментативного расщепления высокоэффективной жидкостной хроматографией. Микросеквенирование позволяет выявлять одиночные аминокислотные замены в анализируеемых белках.

4. Масс-спектрометрия устанавливает, какие атомы входят в состав молекулы, какова структура их расположения и изотопный состав, а также какова масса молекулы. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет соотношение массы частицы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле.

5. Капиллярный электрофорез - это метод анализа сложных смесей, использующий электрокинетические явления – электромиграцию ионов и других заряженных частиц и электроосмос – для разделения и определения компонентов. Эти явления возникают в растворах при помещении их в электрическое поле, преимущественно, высокого напряжения. Если раствор находится в тонком капилляре, например, в кварцевом, то электрическое поле, наложенное вдоль капилляра, вызывает в нем движение заряженных частиц и пассивный поток жидкости, в результате чего проба разделяется на индивидуальные компоненты. Модификацией метода является капиллярный электрофорез в чипах. Идентификация белков с помощью масс-спектрометрии может проводиться непосредственно после разделения.

6. Метод капиллярного изоэлектрофокусирования. После изофокусирования в канале чипа, покрытого специальной пленкой, чип замораживется, пленка удаляется и содержимое канала подвергается высушиванию при критической точке для предотвращения изменения позиции белковых пятен. После этого матрикс для MALDI добавлялся непосредственно к содержимому чипа. В результате одновременно удавалось считывать информацию о молекулярном весе и изоэлектрической точке данного пептида.

7. Двумерный электрофорез - это процесс разделения сложных связей белков, в котором сочетаются электрофорез белков и изоэлектрическое фокусирование. Этот электрофорез заложил основу для расшифровки молекулярного строения человеческих и животных тканей, клеток, бактерий и вирусов и для детектции изменений, происходящих при развитии, старении, заболеваниях а также в ответ на изменения окружающей среды. Протеомные методы используются для определения маркеров заболеваний и разработки новых лекарств [5, c. 179-204].

Вывод

В заключение можно отметить, что методы изучения строения и функции нуклеиновых кислот, а также протеомные технологии играют решающую роль в современных биологических исследованиях и медицинской практике.

Геномные и протеомные технологии объединяют усилия для создания комплексного взгляда на биологические процессы, открывая новые перспективы для индивидуализированного подхода к диагностике и лечению различных заболеваний. Такие инновации в биологии и медицине позволяют нам не только лучше понимать основы жизни, но и разрабатывать более точные и эффективные методы вмешательства в биологические процессы для поддержания и восстановления здоровья.

Геномные и протеомные исследования становятся основой для прогресса в области молекулярной медицины, что в свою очередь открывает новые горизонты для борьбы с различными заболеваниями, включая рак, наследственные и аутоиммунные заболевания. Эти технологии также играют важную роль в разработке новых лекарств и методов лечения, направленных на конкретные молекулярные мишени.

Таким образом, эти передовые технологии не только расширяют наше понимание биологии, но и оказывают непосредственное влияние на практику медицинской диагностики и терапии. Они позволяют более точно выявлять генетические предрасположенности к заболеваниям, предоставляя основу для разработки персонализированных лечебных стратегий.

Список использованной литературы

1. В.Б. Миронов. "Молекулярная биология клетки." М.: Мир, 2004.

2. А.Д. Мирзабеков. "Методы исследования ДНК." М.: Наука, 1976.

3. Н.Ю. Шевченко. "Протеомика в биологии систем." М.: Изд-во МГУ, 2010.

4. В.И. Головачев, Л.Е. Минина. "Полимеразная цепная реакция в генетических исследованиях." М.: Медицина, 2006.

5. Е.Б. Рогозинский, А.В. Карпов. "Геномика и протеомика. Биоинформационные аспекты." М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008.

6. А.Г. Татаринов, Ю.Г. Курцев, С.А. Романов. "Геномика: структура, функционализация и эволюция геномов." М.: Медпрактика-М, 2013.

7. И.В. Лисицин, О.А. Афанасьев. "Протеомика: методы и анализ белков." М.: Наука, 2007.

8. Н.В. Старостина. "Секвенирование геномов: новые возможности и перспективы." М.: Наука, 2016.

9. В.П. Шишкин, С.Б. Сперанский. "Секвенирование нуклеиновых кислот." М.: Медицина, 1984.

10. В.А. Темириков. "Протеомика. Методы определения структуры и функций белков." М.: Наука, 2008.