Lupus Patienten profitieren von der Macht der New Silicon Chip

Forscher an der Stanford University School of Medicine und Intel Corp. haben zusammengearbeitet, zu synthetisieren und zu studieren, eine gitterartige Anordnung von kurzen Stücken eines krankheitsassoziierten Protein auf Silizium-Chips in der Regel in Computer-Mikroprozessoren verwendet . Sie benutzten diese Chips , die durch einen Prozess zur Halbleitern machen erstellt wurde , um Patienten mit einer besonders schweren Form der Autoimmunerkrankung Lupus identifizieren.

Obwohl die neue Technologie basiert auf Forschungsanwendungen konzentriert , hat sie das Potenzial , um schließlich Diagnosen aus einer Vielzahl von Krankheiten zu verbessern , als auch schneller , was Medikamente können am effektivsten für einen bestimmten Patienten sein, zu bestimmen. Es kann auch der Medikamentenentwicklung zu beschleunigen , indem du die Forscher besser verstehen, wie Proteine ​​interagieren im Körper.

" Wenn ich sehe, Patienten in der Klinik gerade jetzt, kann ich wissen, dass sie Arthritis , Aber ich weiß nicht, welche der 20 oder 30 Arten der Krankheit sie haben ", sagte Associate Professor für Medizin Paul (PJ) Utz , MD , unter Hinweis darauf , dass die bestehenden Verfahren kann Tage oder sogar Wochen, um solche Fragen zu beantworten . " jetzt können wir tausende von Protein-Interaktionen in einer Zeit zu messen, integrieren diese Informationen, um die Krankheit zu diagnostizieren und selbst bestimmen, wie schwer es sein kann. Wir bald in der Lage, diese routinemäßig tun, während der Patient noch in der Arztpraxis zu sein. "

Utz ist eine Co- Senior-Autor der Forschung , online veröffentlicht Nature Medicine. Postdoc-Stipendiat Chih Lange Liu , PhD, und Madoo Varma , PhD, Direktor und Leiter der Life Science Forschung und Geschäftsstrategievon Intel Integrated Biosystems Laboratory, sind die anderen leitenden Autoren . Student Jordan Preis ist der erste Autor . Die Forschung wurde teilweise durch Intel Corp. finanziert und Intel Wissenschaftler schuf die Protein-Array auf den Silizium-Chips für die Stanford- Forscher Studie.

Innerhalb jeder unserer Zellen , geben Proteine ​​in und aufzulösen physikalischen Zusammenhänge in schwindelerregenden Abfolge - übertreffen sogar unsere Freilauf - Facebook-Freunde . Diese verwickelten Tanz bildet die für den Antrieb des Zellwachstums , Funken Immunreaktionen und sogar Krankheiten verursachen Maschinen verantwortlich . Aber das Verständnis der mikroskopischen Einzelheiten ihrer flüchtigen Sehenswürdigkeiten ( warum genau ist Protein X Einhaken mit Protein Y ? ) Und die nachfolgende biologische Auswirkungen , war schwierig und zeitaufwendig .

Um diese Wechselwirkungen besser zu verstehen , Forscher bei Intel synthetisiert kurze Segmente von biologischen Proteinen , genannt Peptide , auf Silizium-Wafern . Um dies zu tun , wandten sie sich an den gleichen Prozess verwendet werden, um Halbleiter zu machen, verwendet ein Verfahren, das die aufeinanderfolgenden Schritte der Belichtung und chemische Reaktionen genannt Photolithographie . Die Stanford- Forscher dann verwendet werden, den Chip , die sie haben einen Intel -Array bezeichnet , um Tausende von Protein-Interaktionen gleichzeitig zu analysieren , um Krankheiten zu diagnostizieren , zu bewerten Therapien und sogar Design - mehr wirksame Medikamente .

Die Forscher hoffen, schließlich eine integrierte Halbleiterschaltung in dem Mikroprozessor -ready Silizium-Chip eingebettet werden , um eine Art Minicomputer , die das Rätselraten und nehmen könnte erstellen Entscheidungs ​​von vielen klinischen Prozesse . Es könnte vielleicht buchstabieren patientenspezifischen Diagnosen mit Buchstaben des Alphabets , oder herauszufinden, welche mögliche Behandlungen sind am ehesten um wirksam zu sein .

Die in der Studie beschriebenen Technologie Echos der von DNA-Mikroarrays , bei denen Tausende von einzigartigen Nukleotidsequenzen auf einem Glasträger in einem gitterartigen Muster punktiert , um Muster der Genexpression in Zellen und Gewebe zu identifizieren. Vor der Zusammenarbeit mit Intel, Utz und seine Kollegen wurden unter Verwendung einer ähnlichen Technik für Peptide - Befestigen sie in definierten Mustern auf Glas oder anderen Substraten und dann Waschen mit Lösungen von zellulären oder durch Blut übertragbaren Proteinen. Eines Bindungsereignisses zwischen einem Protein in der Lösung , wie ein Antikörper , und ihre Einschub gebundenen Partners eine Fluoreszenzsignal , das durch eine sorgfältige und langen Reihe von Detektionsschritten entwickelt ist angegeben.

Vor etwa vier Jahren , aber die Forscher bei Intel näherte Utz und seine Kollegen mit der Idee der Verwendung von Silizium als einem Mikroarray -Plattform , um die Peptide zu synthetisieren, direkt auf dem Chip , anstatt die Peptide getrennt und Spek sie auf das Array mit einem Roboter .

" Ehrlich gesagt , wir dachten, es würde nicht funktionieren ", sagte Utz . Aber es tat, und es einige Vorteile hatte . Für eine Sache, ist Silizium viel weniger klebrig , um Proteine ​​als Glas. Dadurch können die Forscher einige experimentelle Schritte bedeutete zufällige Bindung von Peptiden an das Substrat zu Block springen. Silicon ermöglicht auch die Forscher , um die einzelnen Peptide enger zusammen zu arrangieren , mit dem Raum sehr viel effizienter . Schließlich , im Gegensatz zu Glas, Silizium allein nicht fluoresziert , wodurch Signalerkennung einfacher.

Es gibt auch das Versprechen der Entwicklung neuer , schneller Nachweismethoden auf der mehr - vielseitige Silizium-Chip .

"Wenn wir diese paar Intel -Arrays mit einer elektronischen Nachweisverfahren , zum Beispiel , könnten wir Echtzeit- Erfassungs über einen Zeitraum von Minuten ", sagte Utz .

In der Studie, die Forscher getestet , ob ihre Anordnung könnte zu kategorisieren Patienten mit Lupus - eine Autoimmunerkrankung , bei der Patienten machen Antikörpern, die eine Art von Protein in ihren Zellen genannt Histon (zusätzlich zu anderen Proteinen ) anzugreifen.

"Lupus ist sehr variabel , und in einigen Fällen ist ziemlich streng ", sagte Utz . " Etwa die Hälfte der Patienten sind wahrscheinlich mehr intensive Therapie. Wir wollten sehen, ob wir diese Patienten mit unseren Arrays zu identifizieren. "

Mit Hilfe der neuen Silizium-Chips , die Forscher in der Lage, Patienten mit Lupus , die hohe Konzentrationen von Antikörpern gegen eine bestimmte Histon genannt 2B zum Ausdruck zu identifizieren. Dann bestätigt, dass diese Patienten waren genau die, die kämpfen mit einer schweren Form der Krankheit.

"Unternehmen, Entwicklung von Therapien , die für diese Bindung nehmen jetzt Patienten mit Lupus für klinische Studien verantwortlich Weg , ohne zu wissen , welche Teilmenge der Krankheit sind sie in zu blockieren ", so Utz . " Dieses Verfahren könnte möglicherweise verwendet werden , um nur die Patienten würden profitieren, zu identifizieren , und die Hilfe bei der Identifizierung von wirksamen Medikamenten . "

Um die Entdeckung zu machen , haben die Forscher ein Mikroarray mit den letzten 21 Aminosäuren von Histon- 2B . Histone halten DNA fest in einer Zelle der Kern verpackt ; Bindung verschiedener Proteine ​​an das freiliegende Ende des Histon selektiv gewährt oder schließt den Zugang zu den verpackten Gene. Die weltweite Bedeutung der Bindungsereignisse , und die Tatsache, dass Autoimmunerkrankungen wie Lupus entstehen, wenn der Körper bildet Antikörper gegen Ende des Histon ist , führte die Forscher , um sie für ihren ersten Test der Technologie zu wählen.

Bei der Herstellung der Anordnung , sie jede mögliche überlappende Sequenz von jeder Länge von der kurzen Kette von Aminosäuren synthetisiert: 1-21 (der Volllängen- Sequenz) zu 17-20 ( vier Aminosäuren ) 2-20 (19 Aminosäuren) und alle anderen möglichen Variationen . Drei der Aminosäuren sind manchmal auch modifiziert werden, um zusätzliche chemische Gruppen, die verstärken oder hemmen Proteinbindung tragen kann. Einschließlich jede mögliche Länge und Kombination von modifizierten und unmodifizierten Aminosäuren gab fast 9.000 einzigartige Peptid Punkte auf dem Array. Sie mit Lösungen von Antikörpern bekannt , um die Sequenz zu binden, gewaschen und dann den Chip .

Das Bindungsmuster zeigte, daß ein Antikörper erkennen konnte, und in eine Folge von nur zwei Aminosäuren der ursprünglichen 21 anderen erforderlich mindestens vier Aminosäuren , eines davon geändert wird, um die Bindung zusammen binden. Analyse der Bindung von Lösungen anderer Antikörper jeweils abgegrenzt spezifischen Bindungs ​​Regionen oder Epitope , innerhalb der ursprünglichen kurzen Sequenz .

Das Verständnis der Bindung an solche Detailstufen wird es den Forschern ermöglichen , um mit Drogen soll stören , zu verbessern oder zu imitieren biologische Reaktionen in unseren Zellen , um bessere Therapien zu erstellen , oder zu verstehen, wie und warum die natürlichen Prozesse schief gehen manchmal zu basteln .

Die Forscher sind nun die Erkundung der Einsatz der Technik zur Gestaltung helfen Grippe Impfstoffe, die eine starke Immunantwort hervorzurufen , sowie Möglichkeiten, um die dreidimensionale Faltung in den meisten Protein -Wechselwirkungen beteiligt integrieren.