Что такое ПЦР, и какие заболевания можно выявить с помощью этой диагностики

Полимеразная цепная реакция (ПЦР, PCR) –​ один из самых молодых и вместе с тем точных методов лабораторной диагностики, который произвел революцию в современной молекулярной биологии.

Метод ПЦР позволяет всего за несколько часов перевести микрограммы генетического матери­ала в приемлемые для последующих исследова­ний количества вещества. Вот почему благода­ря открытию полимеразной цепной реакции был расшифрован геном человека, и даже родилась новая индустрия – биотехнология. Сегодня этот относительно простой и недорогой способ ис­пользуется ежедневно в областях, весьма дале­ких от академической науки: для диагностики за­болеваний и контроля эффективности лечения, идентификации бактерий и вирусов, установле­ния отцовства, изучения тысячелетних мумий и даже для поиска преступников. Учитывая широ­ту применения, относительную простоту выпол­нения и стопроцентную точность результатов, ПЦР можно отнести к числу фундаментальных научных технологий ХХ века.

Секрет «приумножения»

В основе этого гениального метода лежит тот факт, что каждый живой организм имеет толь­ко свою уникальную последовательность генов ДНК (или РНК, когда речь идет о некоторых вирусах). Именно это свойство является идеаль­ным маркером присутствия чужеродного ми­кроорганизма в любом организме. Если в пробе присутствуют даже следовые количества такого «стороннего» ДНК – значит, организм каким-то образом уже сталкивался с данной инфекци­ей. Однако как же обнаружить или проанализи­ровать структуру определенного отрезка ДНК, имея в распоряжении всего лишь крошечный образец, ведь, как правило, люди не оставляют после себя контейнер крови или других ДНК-содержащих материалов? В большинстве случаев для лабораторной диагностики или криминали­стической экспертизы специалисты имеют в сво­ем распоряжении минимальное количество ма­териала: единичные капли крови, спермы, слюны или частички волос. Для проведения полноцен­ного анализа и получения достоверного резуль­тата этого недостаточно.

Американский биохимик Кэри Муллис неожи­данно придумал способ, посредством которого можно увеличить крошечный образец ДНК во много миллионов раз, сделав количество мате­риала пригодным для анализа и получения абсо­лютно точных результатов. Его гениальная идея «приумножения» через десять лет принесла уче­ному Нобелевскую премию по химии.

Филигранная работа

Как известно, молекула ДНК состоит из двух ни­тей, которые обвивают друг друга в виде спира­ли. В них и содержится уникальное генетическое описание любого организма. Суть метода ПЦР (и гениальность открытия Муллиса) состоит в том, что он разъединил эти нити, а затем догадался закрепить на каждом конце по метке. Потом, вос­пользовавшись другой молекулой, которая называется ДНК-полимераза, сумел сделать копию отрезка ДНК между метками. Таким образом ко­личество генетического материала удвоилось. Проделывая такую манипуляцию снова и снова, можно получить огромное количество одинако­вых цепочек ДНК. Ведь в результате каждого такого цикла ПЦР фрагмент искомой ДНК удваива­ется, а сам цикл повторяется столько раз, сколько это необходимо. Современные приборы, исполь­зуемые для проведения ПЦР (амплификаторы), способны увеличить фрагменты ДНК от несколь­ких сотен до тысяч пар оснований в течение не­скольких часов. Фактически метод ПЦР позво­ляет ДНК копировать саму себя и увеличивать количество исследуемого материала до размеров, которые легко опознать. Применение данной ме­тодики позволило идентифицировать по выде­ленному фрагменту ДНК любой интересующий объект: вот ДНК возбудителя гриппа, это – стафи­лококка, а это – вируса герпеса.

Стоит отметить, что ранее для клонирования участка ДНК классическими генно-инженерны­ми методами требовались в среднем 0,5-2 го­да и огромное количество весьма трудоемких генноинженерных действий высококвалифицированного персонала. Теперь задача упро­стилась: для получения результата необходимо всего несколько часов. А для получения на 100% точного результата можно использовать мини­мальное количество материала: отдельный че­ловеческий волос, соскоб ткани, капельку мочи, мокроты или околоплодных вод. Благодаря тому, что ДНК сравнительно хорошо сохраняется, да­же мозг мумии или тело мамонта, пролежавшего 40 тысяч лет в вечной мерзлоте, сможет со сто­процентной точностью рассказать, чем болели доисторические жители. Вот почему метод по­лимеразной цепной реакции ДНК совершил на­стоящую революцию в современной молекуляр­ной биологии.

Безграничные возможности

Сейчас диагностические исследования с помо­щью ПЦР стали рутинной работой практически каждой молекулярно-биологической лаборато­рии. Преимущества данного метода очень скоро оценили врачи, ведь с его помощью можно обна­ружить любой патогенный микроорганизм, если в пробе найдется хоть одна микрочастица бакте­рии или вируса. Причем обнаружить возбудитель любого заболевания можно задолго до того, как он размножится и вызовет болезнь. Поэтому се­годня эту методику используют не только для того, чтобы поставить диагноз, но и для контро­ля эффективности лечения. Применяют ПЦР и для определения мутаций в ДНК, если есть риск развития генетических заболеваний, или для определе­ния возможных рисков их развития. А еще, исполь­зуя уникальную последовательность ДНК при ми­нимальном количестве исходного ДНК-содержащего материала, можно установить не только отцовство, но и степень родства.

Специфичность ПЦР-анализа позволяет об­наружить даже единичные клетки патогенных микроорганизмов в тех случаях, когда другие ме­тоды бессильны, например, при большей части хронических персистирующих инфекций, воз­будители которых могут находиться в организме длительное время (все типы герпеса, токсоплаз­моз, болезнь Лайма, хронические вирусные гепатиты). Разобраться, когда начинается рецидив, вялотекущий процесс или выздоровление, мож­но только с помощью ПЦР-диагностики.

В криминалистике этот метод получил на­звание в стиле своей профессии – геномная дактилоскопия. Эксперты сыскного дела ис­пользуют его для идентификации личности по ДНК-содержащим жидкостям и тканям.

С помощью полимеразной цепной реак­ции можно проводить исследования даже мумифицированных древних останков. Уже были проделаны научные исследования ДНК неандертальцев, египетских мумий, насекомых, за­консервированных в янтаре миллионы лет назад, а также бактерий глубокозалегающего древнего арктического льда. Все это позволило ученым заглянуть в историю эволюции.

ПЦР-диагностику активно используют для мо­ниторинга состояния окружающей среды, контроля качества питьевой воды, продуктов питания, а также в фармакологии, ветеринарии.

Большой минус

Сверхчувствительность ПЦР-диагностики мо­жет обернуться и другой стороной медали. Ес­ли на лабораторном инвентаре – пипетках, пробирках и прочем оборудовании – будет присутствовать даже микроскопическое коли­чество «чужеродной» ДНК, результат анализа может оказаться неправильным. Именно по­этому для ПЦР-диагностики очень важно об­ращаться только в сертифицированные лабо­ратории, где строго соблюдают необходимый технологический режим.

Что дальше?

Метод ПЦР-диагностики уже давно вышел за пределы традиционной лабораторной диагно­стики. Одно из самых перспективных направ­лений его использования – персонализирован­ная медицина. Например, на введение одного и того же препарата три пациента с одинако­вым диагнозом могут отреагировать абсолют­но по-разному: один выздоровеет, второй не отреагирует, у третьего появятся нежелатель­ные токсические эффекты. Спрогнозировать, как человек перенесет тот или иной препарат, можно с помощью ПЦР-диагностики. Такая методика прогнозирования получила назва­ние предварительное генотипирование (англ. prospective genotyping). В мире уже насчитыва­ются десятки лекарств, которые никогда не на­значаются без предварительного генетическо­го анализа.