Флуоресцентная гибридизация и выявление бактерий

Ученые из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в Южной Корее представили новый метод диагностики известный как флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), с использованием искусственных полимеров, в том числе и пептидной нуклеиновой кислоты (ПНК). Частицы кислоты действуют как зонды для связывания с различными генетическими последовательностями внутри бактерий. Когда две молекулы зонда связываются с целью, они испускают флуоресцентный сигнал, который, по сути, раскрывает присутствие конкретных патогенов.

Техника флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) позволяет быстро обнаруживать и идентифицировать микробы на основе их вариаций в геномной последовательности без трудоемкого культивирования или секвенирования. Однако недавний взрыв микробных геномных данных усложнил разработку подходящего набора зондов для микробных смесей. Мы разработали новый набор зондов FISH на основе пептидной нуклеиновой кислоты (PNA) с оптимальной целевой специфичностью, проанализировав вариации в последовательности рибосомальной РНК 16S у всех видов бактерий.

Из материалов исследования.

В лабораторных условиях FISH точно распознал семь видов бактерий, которые обычно живут в наших телах: Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa  Staphylococcus aureus. Тест оказался на 99% точным для всех видов бактерий, кроме S. aureus — патогена, который инфицирует кожную ткань, — его показатель успешности 96,3%.

Простой результат и титаническая работа за ним

Обнаружение основано на резонансном переносе энергии Фёрстера (FRET) между парами соседних связывающих зондов PNA, что исключает перекрестные помехи между видами. Быстрая последовательная идентификация видов была реализована с использованием химически расщепляемых флуорофоров без ущерба для точности обнаружения. Благодаря своей выдающейся точности и повышенной скорости этот набор методов демонстрирует большой потенциал для клинического использования.

Из материалов исследования.

Хоть решение может показаться довольно простым, но за разработкой технологии стоит титаническая работа. Команда проанализировала 19 885 известных генетических последовательностей 14 614 видов бактерий, затем разработала видоспецифичные последовательности PNA для нацеливания на рибосомальную РНК бактерии. Зонды PNA имеют явные преимущества по сравнению с традиционными зондами ДНК и могут проходить через клеточные стенки патогена. Наличие двух зондов, связанных с одним и тем же патогеном, повышает точность, особенно в случаях, когда болезнь вызвана несколькими патогенами.

FISH выдает результаты менее чем за три часа. Обычные диагностические инструменты — анализы крови и полимеразная цепная реакция (ПЦР) — могут занять от нескольких дней до нескольких недель. Для пациентов, борющихся с критически важными по времени, опасными для жизни инфекциями, такими как сепсис, критически важно диагностировать первопричину и начать лечение как можно скорее.

Быстрое получение результатов также может помочь избежать назначения пациентам неправильных антибиотиков.

Теперь команда проведет дополнительные испытания образцов крови, взятых у больных пациентов, чтобы оценить, насколько хорошо метод FISH может работать в клинических условиях.

Как всегда, больше материалов о биотехнологиях, мозге, природе нашего тела и возможностях организма – читайте в материалах Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие статьи!

Регенеративная медицина и стволовые клетки

Раньше производство партии стволовых клеток для лечения болезней или травм включало в себя их этичный сбор из эмбриональной ткани. Но в 2006 году японские ученые нашли способ вернуть созревшие клетки обратно в состояние стволовых. Клетки, которых «откатили до стартовых условий», стали называть индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). И их снова можно вырастить до состояния клеток любого типа ткани: сердца, легкого, печени, мозга и т.д. В частности, вот один из наглядных примеров восстановления стволовых клеток мозга.

Однако это открытие, удостоенное Нобелевской премии, не идеально. Во-первых, большая часть клеток может застрять на промежуточных стадиях, что снижает эффективность метода. В первоначальном исследовании менее 0,1% клеток прошли весь путь. За последние 20 лет этот показатель был улучшен и некоторые методы приближаются к 100% эффективности.

Теперь ученые из Массачусетского технологического института нашли способ убрать посредника, минуя этап отката к стволовым клеткам и переходя напрямую от одного типа клеток к другому. Что еще лучше, эффективность метода более 1000%. Другими словами, из одной исходной клетки вы получаете 10 или более целевых клеток.

Уход от ошибок прошлого и перепрограммирование клеток

Первоначальный процесс строится на наборе из четырех генов, которые кодируют белки, называемые факторами транскрипции. Если эти гены загрузить на вирусные векторы и доставить их к клеткам кожи, то клетки кожи трансформируются iPSC.

В этот раз ученые экспериментировали с шестью факторами транскрипции, пробуя разные комбинации, чтобы найти наименьшее количество факторов, которое все еще может быть достаточно эффективным. После проб и ошибок они определили комбинацию из трех элементов: NGN2, ISL1 и LHX3, которые выполнили полное преобразование.

Использование только этих трех элементов и одного вирусного вектора позволили правильной дозировке достичь каждой клетки. Используя второй вирус, команда доставила два других гена, которые заставляют клетки начать пролиферацию.

Если бы вы экспрессировали факторы транскрипции на действительно высоком уровне в непролиферативных клетках, то скорость перепрограммирования была бы очень низкой, но гиперпролиферативные клетки более восприимчивы. Это как будто их сперва зарядили для конверсии, а затем повысили их восприимчивость к уровням факторов транскрипции.

Со слов исследователей.

Вполне может случиться, что технология будет использована для выращивания следующего поколения нейронов, на которых работают бионические компьютеры.

Практическое применение перепрограммированных клеток

Команда протестировала технологию, преобразовав клетки кожи мышей в двигательные нейроны. И, конечно же, результат был эффективен на 1000%. Было обнаружено, что созданные двигательные нейроны генерируют электрическую активность и кальциевую сигнализацию, что указывает на их функциональность. В последующих тестах нейроны были пересажены в мозг живых мышей, где они образовали связи с другими клетками мозга.

Версия этой технологии выращивания была также разработана для человеческих клеток, хотя на данном этапе эффективность менее впечатляющая — от 10 до 30%. Тем не менее, это лучшая отправная точка, чем 0,1% оригинального метода, а работа над повышением эффективности идет полным ходом.

Если технология будет создана, то первым применением станет выращивание новых нейронов для пациентов с такими заболеваниями, как БАС, для улучшения их двигательного контроля. После этого метод может быть потенциально распространен и на другие типы клеток.

Как всегда, больше новостей на грани науки и фантастики – читайте в материалах сообщества Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие материалы!

Попытка склеить влажные поверхности — бесполезна по своей сути, так как молекулы воды образуют барьер между поверхностью и молекулами в клее. Но мидии обошли это ограничение и агрессивно прикрепляются корпусам кораблей. Да и в целом охотно облепляют собой каменистые поверхности под водой.

Ученые давно вдохновлялись мидиями, при создании новых видов клея, особенно для человеческого тела. Основная цель таких видов клея – останавливать кровотечение, удерживать кожные трансплантаты без рубцов, крепить имплантаты к костям и даже удерживать стволовые клетки на одном месте достаточно долго, чтобы восстановить поврежденные ткани.

От мидий к человеку. Свойства наших тел

Инженеры из Массачусетского технологического института и Свободного университета Берлина нашли способ усовершенствовать клей разработанный на основе мидий. Новым материалом стала естественная часть человеческих тел – слизь.

Наша родная слизь естественным образом смазывает внутренние поверхности тела и защищает их от инфекции. Защита от инфекции – ключевое качество, когда речь идет о биомедицинских сферах применениях клея.

Эта комбинация не возникла из ниоткуда. Для усиления своего клея мидии используют две химические группы, называемые катехолами и тиолами, которые сшиваются воедино, буквально повторяя механизм липучек нашей одежды. Тиолы также присутствуют в слизистых белках, называемых муцинами, что дало ресурс для развития исследования.

Бионический суперклей и его свойства

Для исследования ученые объединили натуральные муциновые белки и синтетические полимеры на основе клея мидий в растворы разной концентрации. И эта смесь идеально сработала в качестве клея.

Это похоже на двухкомпонентную эпоксидную смолу. Вы смешиваете две жидкости, и начинается химическая реакция, в результате которой жидкость затвердевает, одновременно с этим приклеивая вещество к поверхности.

Джордж Деген, ведущий автор исследования.

В серии испытаний новый клей использовался для склеивания поверхностей, в то время как исследователи измеряли, как быстро смесь затвердевала и насколько прочно она прилипала. Пока что, смесь ни в чем не уступает современным видам медицинского клея.

В зависимости от того, насколько сильна у вас сшивка между катехолами и тиолами, мы можем контролировать скорость, с которой жидкости загустевают и липнут. Испытания проходят на влажных поверхностях, при комнатной температуре и в привычных условиях. Это просто уникально!

Райнер Хааг, соавтор исследования.

В других тестах исследователи наносили клей на стеклянные панели и инкубировали его с бактериями в течение ночи, чтобы проверить, насколько хорошо он предотвращает размножение «посторонних микроорганизмов».

Мы обнаружили, что на голой стеклянной поверхности без нашего покрытия бактерии образуют толстую биопленку, тогда как с нашим покрытием образование биопленки в значительной степени не происходит.

Джордж Деген, ведущий автор исследования.

Исследователи планируют продолжить изучение комбинаций, чтобы найти лучшую версию для медицинских применений. Ее также можно использовать в качестве покрытия для предотвращения развития инфекций через имплантаты.

Больше странных новостей с передового края науки, где наука выглядит как фантастика, читайте в материалах сообщества Neural Hack. Бонусом: масса статей про природу сознания, нейрогормоны, возможности вмешиваться в природу мозга и многое, многое другое. Залетайте, чтобы прикоснуться к новостям без негатива.

Рак поджелудочной и немного статистики

Рак поджелудочной железы не имеет очевидных симптомов на ранних стадиях, поэтому его редко диагностируют. До и то только после того, как он распространится на другие органы. Что делает его схожим с нейродегенеративными заболеваниями. Таким образом, у рака поджелудочной тревожно низкий относительный показатель выживаемости — за 5 лет выживает всего 13%. Поэтому любые способы ранней диагностики заболевания крайне важны для людей и медицины.

Исследователи из OHSU разработали анализ крови, который определяет рак поджелудочной железы на ранней стадии с высокой чувствительностью и специфичностью. Повышенные уровни в крови определенных белков, называемых протеазами – вот биомаркер аденокарциномы протоков поджелудочной железы (PDAC). Команда разработала наносенсорный анализ, который окрестили PAC-MANN. Полученное соединение флуоресцирует в присутствии этих белков.

В тестах на образцах, взятых у 350 пациентов, PAC-MANN смог идентифицировать 73% случаев PDAC на всех стадиях. Он также смог исключить 98% пациентов без рака и помог отсеять 100% пациентов с другой формой заболевания поджелудочной железы, которая не была раковой.

Сопряжение тестов на рак для большей точности

В последующих тестах PAC-MANN был сопряжен с тестом на лучший в настоящее время клинический биомаркер CA 19-9. Было обнаружено, что такая связка с 85% точностью выявляет первую стадию PDAC и с 96% точностью исключает людей без рака, но с проблемами с поджелудочной. Эта чувствительность, а также простота использования делают тест очень удобным для раннего скрининга.

Наш тест может быть использован для людей с высоким риском рака поджелудочной железы, который не выявляется текущими тестами. Он позволяет проводить более надежный и менее инвазивный скрининг, в отличие от эндоскопического УЗИ и других тестов жидкой биопсии, которые требуют больших объемов крови. Наш тест можно проводить проще и чаще для более раннего выявления.

Хосе Монтойя Мира, ведущий автор исследования.

Другие новые возможности ранней диагностики рака поджелудочной железы включают определение биомаркеров в моче и даже анализ микробиома, который связан с куда более широким спектром заболеваний.  Этот многообещающий новый анализ крови может предоставить еще один вариант ранней диагностики рака поджелудочной железы, что, как мы надеемся, увеличит шансы пациентов на выживание.

Преимущество этого теста — его стоимость: для проведения теста требуется всего 8 микролитров крови и 45 минут, при этом стоимость образца составляет менее цента. Тест можно легко проводить в сельской местности и в неблагополучных районах, где традиционные тесты не используются или не могут быть использованы.

Хосе Монтойя Мира, ведущий автор исследования.

Как всегда, больше материалов про организм, грань между наукой и дивным миром будущего, природу сознания и искусственного интеллекта – читайте в сообществе Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропускать новые статьи!