Доклад на тему медицинские чипы
Обновлено: 05.07.2024
Факультет: Общая Медицина
Курс: IГруппа: 12-035-2
Выполнила: Кусманова Г.
Проверила: Нурпеисова И.К.
Алматы, 2013г.
План
Введение
Биологические микрочипы являются одним из наиболее быстро развивающихся экспериментальных направлений современной биологии. Существует два основных типа биочипов . Первый тип- этомикроматрицы различных соединений, главным образом биополимеров, иммобилизованных на поверхности стекла, в микрокаплях геля, в микрокапиллярах. Другим типом биочипов являются миниатюризованные "микролаборатории". Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды,друг с другом и низкомолекулярными лигандами. Удается в достаточно простых параллельных экспериментах собрать и обработать на отдельных элементах биочипа огромное количество биологической информации. В этом заключается фундаментальное информационное сходство биочипов с электронными микрочипами. Однако между ними имеется и ряд принципиальных различий.
Что такое биочип?
Биочип - это революционноедостижение биотехнологии последних лет. Необычное устройство позволяет за короткое время определять несколько тысяч аллергенов, онкогенов, различных биологически активных веществ, и даже генетических дефектов. Технология белковых биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизитьсебестоимость анализов.
Прообразом современных "живых чипов" послужил саузерн-блот, изготовленный в 1975 году Эдом Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кислоту для определения специфической последовательности среди фрагментов ДНК, зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно разрабатывать тему биочипов только в конце 1980-х годов в Институте молекулярной биологии подруководством А.Д.Мирзабекова.
Биочип представляет из себя матрицу - крохотную пластинку со стороной 5-10 миллиметров, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов. Профессионалы называют этот носитель "платформой". Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательносвязывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.
В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94 процента), то есть матрицы, несущие молекулы ДНК. Оставшиеся 6 процентов составляют белковые чипы.
Биологические микрочипы (biochips) или, как их чаще называют —microarrays, — это один из новейших инструментов биологии и медицины 21 века. Изобретены биочипы были в конце 90-х годов в России и в США. Технология микрочипов – это принципиально новый уровень лабораторных исследований, так как она позволяет проводить одновременное тестирование тысяч образцов [1].
Содержание
ВСТУП
1. ДНК-микрочипы
2. Технология синтеза биочипов
2.1. Технология синтезу in situ
2.2. Технология синтезу non in situ
3. Детекция результатов гибридизации
3.1. Радиоизотопная детекция
3.2. Флуоресцентная детекция
3.3. Спектроскопические методы
3.4. Электрохимические методы
4. Применение биочипов
ВЫВОДЫ
Вложенные файлы: 1 файл
DNK-chipy.docx
3МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НТУУ “КПІ”
Факультет біотехнології і біотехніки
Кафедра промислової біотехнології
Горчаков В.Ю. студентки 3-го курсу,
Допущений до захисту: групи БТ-31с
“___” _________20__р. Пєскова Л.О., Савченко А.А.
Захищено з оцінкою:
- ДНК-микрочипы
- Технология синтеза биочипов
- Технология синтезу in situ
- Технология синтезу non in situ
- Радиоизотопная детекция
- Флуоресцентная детекция
- Спектроскопические методы
- Электрохимические методы
Биологические микрочипы (biochips) или, как их чаще называют —microarrays, — это один из новейших инструментов биологии и медицины 21 века. Изобретены биочипы были в конце 90-х годов в России и в США. Технология микрочипов – это принципиально новый уровень лабораторных исследований, так как она позволяет проводить одновременное тестирование тысяч образцов [1].
Существует два основных типа биочипов. Первый тип - исследовательские чипы – это микроматрицы различных соединений, главным образом биополимеров, иммобилизованных на поверхности стекла, в микрокаплях геля, в микрокапиллярах [2]. Тысячи молекул ДНК или белков помещаются на стеклянные пластинки для создания ДНК- и белковых чипов соответственно [1]. Для анализа результатов, полученных с помощью таких чипов, требуются серьезные программные комплексы, которые общитывают полученные данные и специальные знания, как вычленить нужный результат [3].
Другим типом биочипов, или диагностические чипы – являются миниатюризованные "микролаборатории" [2]. Диагностические чипы применяются в медицинской практике. От исследовательских чипов они отличаются количеством точек, которых здесь гораздо меньше (от десятка до нескольких сотен) и точностью — она значительно выше, чем у исследовательских [3].
.Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды, друг с другом и низкомолекулярными лигандами. Удается в достаточно простых параллельных экспериментах собрать и обработать на отдельных элементах биочипа огромное количество биологической информации. В этом заключается фундаментальное информационное сходство биочипов с электронными микрочипами. Однако между ними имеется и ряд принципиальных различий [2].
К главным причинам широкого распространения биочиповых исследований относят высокую чувствительность, специфичность и воспроизводимость, простоту процедуры выполнения, возможность одновременного анализа множества параметров и относительно невысокую стоимость работ. Эти же причины заставляют рассматривать биочипы как перспективный инструмент в различных областях народного хозяйства [1].
ДНК–чипы представляют собой уникальный аналитический инструмент, позволяющий определять наличие в анализируемом образце (как правило, биологического происхождения) заданных последовательностей ДНК (т.н. гибридизационный анализ) [1].
Макроматрицы ДНК и белков иммобилизованных на фильтре, или фиксированных в лунках планшет, были известны достаточно давно. Однако первая работа по ДНКовым микрочипам в современном формате были опубликованы лабораторией в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (ИМБ) [2].
Проведение анализа с помощью ДНК–чипов обходится в несколько раз дешевле, чем при использовании альтернативных технологий (электрофорез, ПЦР в реальном времени) и допускает, при наличии детектора несложной конструкции, работу вне лаборатории.
Впервые ДНК–чипы были использованы в исследованиях в конце 80-х годов прошлого века. В основе этого теперь уже широко распространенного метода, позволяющего одновременно анализировать экспрессию множества генов, лежит принцип узнавания мРНК-овых или кДНК-овых мишеней посредством их гибридизации с иммобилизованными на микрочипе одноцепочечными фрагментами ДНК.
ДНК–микрочип представляет собой твердую подложку, на которой иммобилизованы (как правило, ковалентно) однонитевые фрагменты ДНК разной длины: короткие – 15-25 нуклеотидов, длинные – 25-60 нуклеотидов и кДНК фрагменты – от 100 до 3000 нуклеотидов. В качестве материала подложки используют стекло, кремний, различные полимеры, гидрогели (например, на основе полиакриламида) и даже золото.
На основании экспериментальных данных сотрудниками лаборатории клеточной инженерии под руководством д.б.н. Белецкого И. П. Института Теоретической и Экспериментальной Биофизики (г. Пущино Московская обл.) была разработана технология для крупномасштабного изготовления стеклянных подложек при производстве ДНК-чипов, а также их использования при гибридизационном анализе ДНК [1].
Организованное размещение однонитевых ДНК занимает на платформе очень небольшой участок размером от почтовой марки до визитной карточки, поэтому в названии биочипов присутствует слово micro. Микроскопический размер биочипа позволяет размещать на небольшой площади огромное количество разных молекул ДНК и считывать с этой площади информация с помощью флуоресцентного микроскопа или специального лазерного устройства для чтения [4].
ДНК наносится на него методом машинной микропечати и химической пришивки в виде множества упорядоченных точек, каждая из которых содержит равное количество синтезированных ДНК-фрагментов, имеющих уникальную последовательность. В других технологиях гибридизационного анализа генов комплементарные фрагменты ДНК пришивают к поверхности микроскопических шариков [6].
2. ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗA БИОЧИПОВ
2.1. Технологія синтезу in situ
Наиболее прогрессивное направление в синтезе ДНК-чипов - это синтез олигонуклеотидов непосредственно на поверхности чипа ('on-chip') путем поэтапного добавления нуклеотидов к растущему концу цепи. Это направление более эффективно, чем использование предварительно синтезированных полинуклеотидов, так как предполагает возможность одновременного синтеза всех полинуклеотидов, размещаемых на чипе.
Существуют два подхода синтеза чипов in situ: последовательный и параллельный.
Последовательный подход предусматривает использование обычного фосфорамидитного метода синтеза полинуклеотидов. При этом реагенты (5' защищенные - 3' фосфорамидитактивированные нуклеотиды) наносятся на необходимые точки (ячейки чипа).
Преимуществом такого подхода является его простота, отсутствие необходимости в сложном оборудовании. Но эта группа методов имеет существенные недостатки, обусловленные невозможностью одновременного синтеза большого количества нуклеотидов. Лимитирующим фактором здесь является проблема доставки активированных нуклеотидов в определённую точку поверхности чипа. Таким образом, метод требует доставки готовых мономеров к месту сборки полимерной цепи. Необходимость адресации мономеров связана с тем, что все растущие полинуклеотидные цепи при использовании этого метода одинаковы по своей возможности присоединить нуклеотид. То есть любой иммобилизованный полинуклеотид может в стадию присоединения быть соединён с любым нуклеотидом, находящимся в растворе. Поэтому и возникает необходимость пространственно разграничить участки присоединения каждого мономера.
Путей решения этой проблемы принципиально возможно всего два:
1) перемещение мономеров к поверхности чипа из резервуаров по специальным каналам, выпускные отверстия, в которых непосредственно контактируют с поверхностью чипа. Для обеспечения эффективного синтеза необходимо наличие максимального количества каналов, каждый из которых должен быть соединён со всеми четырьмя резервуарами, как минимум 4. Для управления клапанами также должна быть использована соответствующая, обычно электромеханическая, система. Одновременно может быть открыт только один из 4-х клапанов, соответствующий тому резервуару, в котором находится мономер, необходимый для депонирования в этой точке чипа в данном цикле.
Преимущества: возможность одновременного синтеза нескольких нуклеотидов, количество которых равно количеству каналов размещающего устройства.
Недостатки: сложность размещающего устройства, необходимость создания трёхмерной сети каналов.
2) размещении мономеров с помощью подвижного диспенсера, который перемещается в плоскости чипа и дистанционно наносит капли материала на соответствующие участки чипа. Например, с помощью специального пьезоэлектрического микроинъектора (ink-jet) перемещаемого в плоскости чипа специальным манипулятором. Одного наполнения реагентом достаточно для присоединения одного нуклеотида ко всем имеющимся на чипе олигонуклеотидам, где этот нуклеотид должен находиться в данной позиции. Таким образом, для удлинения всех олигонуклеотидов на 1 позицию необходимо 4 цикла. Всего для синтеза чипа необходимо 4 x n циклов, где n - длина олигонуклеотида.
Преимущества: доступность, поскольку для его осуществления требуется только соответствующий принтер с использованием ink-jet технологии.
Недостатки: одноканальность, что вынуждает после каждого цикла промывать емкость и вносить в нее новый раствор следующего мономера.
Выход из ситуации: создание четырехканального диспенсера с четырьмя независимо перемещающимися размещающими элементами, каждый из которых соединен постоянно пополняющимся резервуаром соответствующего мономера. Такая схема позволяет производить синтез чипа непрерывно, не тратя времени на промывку и перезарядку диспенсера. Но на сегодняшний день, коммерчески доступный инструмент с подобными характеристиками (4-х канальный ink-jet принтер) отсутствует, хотя имеется патентная информация, посвященная этому способу синтеза чипов [5].
Параллельный подход. Он состоит не в селективном нанесении мономера на определенные участки, а в селективной активации (обычно депротекции) растущих концов полинуклеотидов. При использовании этого метода каждый новый нуклеотид обычно является защищенным по растущему концу. Так, что к нему не может быть присоединен последующий нуклеотид. На определенных участках чипа олигонуклеотиды подвергаются активации (депротекции), заключающейся в удалении защитной группы, или активации другим способом. После этого такие полинуклеотиды способны присоединить нуклеотиды, находящиеся в растворе. Следовательно, нет необходимости доставлять соответствующие мономеры к каждому участку чипа. Пространственная структура активных растущих концов создается в результате селективной активации (депротекции) соответствующих участков чипа.
Различные технологии синтеза с помощью данного подхода отличаются по способу депротекции или, в более широком смысле - активации. Наиболее распространенным и единственным практически реализованным на сегодняшний день является применение для селективной депротекции фотолитографических методов. Существуют два основных направления использования фотолитографии для синтеза ДНК-чипов:
1) Процес фотодепротекции на избранных участках и применением нуклеотидов с фотолабильными защитными группами. Сущность этого метода состоит в селективной депротекции 5'-OH группы в участках подвергаемых воздействию УФ излучения. Набор этих участков определяются при помощи создания отверстий расположенных в соответствующем порядке на фотолитографической маске.
Ультрафиолетовое излучение, проникающее через отверстие в маске, вызывает удаление фоточувствительной защитной группы с 5'-OH группы растущих олигонуклеотидных цепей расположенных на участке чипа прилежащих к отверстию. Образовавшиеся свободные 5'-OH группы на участках, подвергнутых ультрафиолетовому излучению, реагируют с 3' активированными фосфорамидитными группами добавляемых нуклеотидов с образованием фосфодиэфирной связи. При этом на 5'-OH этих нуклеотидов также имеются фотолабильные защитные группы, происходит добавление одного определенного олигонуклеотида к олигонуклеотидам, расположенных в требуемых позициях. Для добавления одного нуклеотида ко всем олигонуклеотидам требуются 4 цикла. А для синтеза олигонуклеотидов требуемой длины требуется 4 x n циклов, где n - длина олигонуклеотида.
Получаемая плотность олигонуклеотидов составляет около 1 млн на 1 см2, что соответствует размеру ячейки в 5-10 мкм. Разрешающая способность этого метода ограничена необходимостью создания высокого (1:100) контраста между облучаемыми и не облучаемыми участками, который не достижим при размерах ячейки менее 5 мкм вследствие дифракции УФ лучей на краях маски. Кроме того, использование фотолабильных защитных групп ограничивает возможность использования модифицированных олигонуклеотидов и однозначно определяет направление синтеза в направлении 3' R 5', что существенно затрудняет или делает невозможным ряд манипуляций с ДНК-пробами, имеющих важное значение (рис. 2.1).
Рис.2.1. Процесс фотодепротекции [4]
а - наращивание нуклеотидов; b - освещение определенных кластеров
Но несмотря на указанные ограничения разработки в этой области продолжаются. Они состоят главным образом в разработке новых фотолабильных групп, которые обладали бы свойствами более полного удаления и возможностью использования их для защиты 3'-OH группы, т. е. обеспечения синтеза в 5' R 3' направлении.
Открытие функционального значения тысяч генов и молекулярных механизмов действия множества ферментов стало революционным событием в биологии, оказавшим и продолжающим оказывать огромное влияние на развитие медицины XXI в. Перед учеными и медиками открылись уникальные возможности для выяснения причин многих инфекционных и наследственных заболеваний, а также разработки эффективных методов их лечения. В свою очередь, развитие новых диагностических методов потребовало и создания новых технологий многопараметрического анализа биологических образцов, с помощью которых можно одновременно исследовать множество белковых и ДНК-маркеров различных заболеваний, функционально-значимых биологических макромолекул и их комплексов. Так появилась технология биологических микрочипов, способных, подобно микрочипам электронным, извлекать и обрабатывать огромные массивы информации из одного небольшого образца биологического материала, полученного от конкретного пациента.
Об авторах
Дмитрий Александрович Грядунов — кандидат биологических наук, заместитель директора по научной работе и заведующий лабораторией технологий молекулярной диагностики Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (Москва). Лауреат Государственной премии РФ для молодых ученых (2003), российской Премии Галена (2014). Автор и соавтор 60 научных работ и 27 патентов.
Александр Сергеевич Заседателев — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией биологических микрочипов Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (Москва), заведующий кафедрой молекулярной и клеточной биологии Московского физико-технического института. Лауреат российской Премии Галена (2014), кавалер ордена Академических Пальм Франции (2016). Автор и соавтор 190 научных работ и 37 патентов.
За последние десятилетия был накоплен огромный объем знаний о молекулярных основах биохимических процессов в живых организмах. Это дало возможности не только точно диагностировать то или иное заболевание, но и оценить вероятность его возникновения еще до проявления у пациента клинических симптомов, а также подобрать эффективную терапию. Подавляющую часть такой информации получают с помощью лабораторной диагностики, на которую в мире ежегодно расходуется свыше 100 млрд долларов. В России в 1970 г. она насчитывала 81 биохимический / молекулярный тест, в 2000 г. — 170, а сегодня число тестов измеряется тысячами!
Сегодня ведущие научные журналы регулярно публикуют обзоры, посвященные биологическим микрочипам, которые производят многие десятки компаний, а объем продаж составляет сотни миллионов долларов в год. Вместе с тем сама идея создания биочипов родилась лишь четверть века назад, и одним из мест рождения этой технологии стал Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук.
С самого начала подход российских исследователей отличался удачным выбором ключевых технологических решений, благодаря которым технологии биочипов ИМБ РАН продолжают оставаться конкурентоспособными в мировой науке. Многие из этих подходов (например, замена радиоактивных меток на флуоресцентные, применение гидрогеля и элементов сферической формы) стали использовать в своей работе другие исследователи, занимающиеся разработкой биочипов. А с 2000 г. в ИМБ РАН при поддержке Международного научно-технического центра начались работы по созданию биочипов для медицинской диагностики возбудителей социально значимых заболеваний.
Биочипы в деле
В биочипе ячейки с иммобилизованными зондами располагаются упорядоченными рядами, причем каждая ячейка содержит уникальный зонд. В зависимости от типа биочипа диаметр ячеек варьирует от 50 до 300 мкм, а их число зависит от сложности анализируемой мишени(ей) и задач эксперимента и составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч. Молекулы исследуемого образца помечают флуоресцентой меткой, поэтому при облучении светом определенной длины волны ячейки, где произошло связывание зондов с молекулами-мишенями, будут светиться (две крайние ячейки)
Для регистрации результатов анализа используют флуоресцентные метки, которые вводят в молекулы образца. Если зонд специфично распознает и свяжется с мишенью, в ячейке возникает флуоресценция. Интенсивность свечения ячеек биочипа измеряется с помощью специальных аппаратно-программных комплексов-анализаторов, которые и выдают отчет о присутствии в исследуемом образце специфичных молекулярных мишеней, информирующих о наличии микроорганизмов или генных мутаций, онкомаркеров или аллергенов и т. п.
Анализатор биочипов состоит из оптико-электронного блока, системы лазеров для возбуждения флуоресценции и оптической части, совмещенной с CCD-камерой, которая передает изображение чипа на компьютер, где сигналы в каждой ячейке вычисляются и анализируются по определенному алгоритму. Для получения матрицы биочипа растворы молекул зондов смешивают с гелеобразующими добавками. Капли смеси наносят на поверхность полимерной подложки будущего чипа с помощью робота и облучают ультрафиолетовым светом, под действием которого идет полимеризация. В ходе реакции молекулярные зонды присоединяются к растущим полимерным цепям геля и в итоге равномерно распределяются по всему объему ячейки
Оригинальная технология создания таких гелевых чипов, разработанная в ИМБ РАН, была запатентована и сертифицирована по европейским стандартам. Биочипы, созданные по этой технологии, занимают отдельную нишу диагностических микроматриц и применяются в российских клиниках. Коммерческие микроматрицы, произведенные ведущими научно-производственными корпорациями Германии и США применяются, в основном, в исследовательских целях.
Большие матрицы с ДНК и белками, иммобилизованными на фильтре или зафиксированными в лунках планшета, были известны достаточно давно. Но идея о создании микрочипов современного формата появилась лишь в конце прошлого века. Первая работа по ДНК-микрочипам и одна из первых — по белковым чипам были опубликованы группой академика А. Д. Мирзабекова из московского Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта АН СССР (Khrapko et al., 1989; Arenkov et al., 2000).
Эта революционная идея родилась как предложение для нового метода секвенирования ДНК с использованием гибридизации — процесса объединения двух комплементарных одноцепочечных молекул ДНК в двуцепочечную. Работы по совершенствованию методик секвенирования были стимулированы все более возраставшим интересом к проблеме расшифровки генома человека.
Выдающийся молекулярный биолог, академик А. Д. Мирзабеков в лаборатории биологических микрочипов ИМБ РАН (Москва)
Туберкулез и лекарственная устойчивость
Почему внимание исследователей привлек именно туберкулез? Дело в том, что многие десятилетия для борьбы с этой болезнью использовали комбинированное лечение сразу несколькими химиопрепаратами, чтобы повысить его эффективность. При монотерапии больные быстро приобретали устойчивость к лекарству. Однако такая стратегия привела к тому, что уже в конце прошлого века в мире, в том числе и в России, начал повсеместно распространяться туберкулез со множественной лекарственной устойчивостью. Именно этот фактор в наши дни чаще всего является причиной неудачного исхода лечения и возникновения рецидива болезни, от которой ежегодно в мире умирает более 3 млн человек.
От гепатита до рака и аллергий
Еще одной актуальной проблемой мирового здравоохранения является лечение больных гепатитом С. Возбудитель этого вирусного заболевания может долгое время размножаться в печени, ничем не выдавая себя, а первые признаки болезни обнаруживаются лишь спустя пару месяцев после заражения. Еще недавно гепатит С считался практически неизлечимой болезнью, а основным терапевтическим средством служила комбинация из интерферона и рибавирина, которая зачастую оказывалась неэффективной и имела много негативных побочных эффектов.
Сегодня созданы новые антивирусные препараты, обладающие так называемым прямым противовирусным действием и блокирующие ключевые внутриклеточные этапы размножения возбудителя. Но вся сложность в том, что вирус гепатита С имеет 7 вариантов генотипа, при этом каждый генотип имеет еще несколько подтипов. Более того, разные генотипы / подтипы обладают и разной чувствительностью к традиционным и новым препаратам, и выбор противовирусной терапии должен проводиться в соответствии с генотипическими особенностями возбудителя.
Важнейшим направлением приложения технологии гидрогелевых биочипов служит анализ мутаций и полиморфизмов ДНК самого человека: ДНК-маркеров, ассоциированных с возникновением различных неинфекционных заболеваний.
Важно, что для анализа антител на 30 и более аллергенов на биочипе требуется очень небольшой (всего 60 мкл) объем сыворотки крови — ровно столько, сколько требуется для анализа на один аллерген традиционным иммуноферментным методом! Такое отличие особенно значимо в педиатрии. Лабораторный вариант этой тест-системы уже проходит доклинические испытания в Детской городской клинической больнице № 13 им. Н. Ф. Филатова (Москва).
Примеры изображений флуоресцентных картин и соответствующие профили концентраций, полученные при анализе образцов сывороток крови двух пациентов
Двенадцать специализированных тест-систем, созданных на основе технологии гидрогелевых биочипов в ИМБ РАН, получили разрешение к применению как медицинские изделия для лабораторной диагностики. Эти тест-системы успешно используются более чем в 50 научно-исследовательских и медицинских центрах РФ, стран СНГ и ЕС.
Технологии биочипов, разработанные в ИМБ РАН, защищены 42 отечественными и международными патентами. И эти технологии продолжают интенсивно развиваться. Разрабатываются новые подходы, позволяющие упростить и ускорить методики, интегрировать в единую процедуру все стадии проведения анализа: от обработки биологического образца до количественной идентификации в режиме реального времени.
Литература
1. Грядунов Д. А., Зименков Д. В., Михайлович В. М. и др. Технология гидрогелевых биочипов и ее применение в медицинской лабораторной диагностике // Медицинский алфавит. 2009. № 3. С. 10–14.
2. Заседателев А. С. Биологические микрочипы для медицинской диагностики // Наука и технологии в промышленности. 2005. № 1. С. 18–19.
3. Колчинский А. М., Грядунов Д. А., Лысов Ю. П. и др. Микрочипы на основе трехмерных ячеек геля: история и перспективы // Молекулярная биология. 2004. Е. 38. № 1. С. 5–16.
4. Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., et al. Protein microchips: use for immunoassay and enzymatic reactions // Analytical Biochemistry. 2000. V. 278. N. 2. P. 123–131.
5. Emelyanova M., Ghukasyan L., Abramov I. et al. Detection of BRAF, NRAS, KIT, GNAQ, GNA11 and MAP2K1/2 mutations in Russian melanoma patients using LNA PCR clamp and biochip analysis // Oncotarget. 2017. V. 32. N. 8. P. 52304–52320.
6. Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O. et al. Development of a microarray-based method for allergen-specific IgE and IgG4 detection // Clinical proteomics. 2017. doi: 10.1186/s12014-016-9136-7.
7. Gryadunov D., Dementieva E., Mikhailovich V. et al. Gel-based microarrays in clinical diagnostics in Russia // Expert review of molecular diagnostics. 2011. N. 11. P. 839–853.
8. Khrapko K. R., Lysov Yu. P., Khorlyn A. A. An oligonucleotide hybridization approach to DNA sequencing // FEBS Letters. 1989. V. 256. N. 1-2. P. 118–122.
9. Zimenkov D. V., Kulagina E. V., Antonova O. V., et al. Simultaneous drug resistance detection and genotyping of Mycobacterium tuberculosis using a low-density hydrogel microarray // Journal of antimicrobial chemotherapy. 2016. V. 71. N. 6. P. 1520–1531.![]()
![]()
Два этих противоречивых события поднимают вопрос: не являются ли эти чипы-имплантаты шагом к инвазивной утопии, в которой работодатели отслеживают каждое движение своих работников? Или это просто лёгкий способ входа в аккаунты и открывания дверей щелчком пальцев? Благодаря небольшому, но растущему количеству людей (от 50 тыс. до 100 тыс. человек по оценкам биохакинговой компании Dangerous Things), отважившихся на эту авантюру, общество может скоро узнать ответ на свой вопрос.
Что представляют собой эти микрочипы?
Микрочипы-имплантаты — это маленькие цилидрики из несодержащего свинца боросиликатного стекла, либо биологически нейтрального стекла Schott 8625 на основе натриевой извести, содержащие микрочип, биологически нейтральную эпоксидную смолу и медную катушку-антенну. Микрочипы, имплантируемые и животным, и людям, не имеют встроенного источника энергии и питаются от внешнего электромагнитного поля. То есть они инертны до тех пор, пока не поднести к ним считывающее устройство — источник ЭМ-поля.
Эти имплантаты часто относят к RFID, но под этим термином скрывается очень широкий спектр частот, устройств, протоколов и интерфейсов. RFID-устройства делятся на три частотных группы: низкочастотную (125 и 134 кГц), высокочастотную (13,56 МГц) и сверхвысокочастотную (UHF) (800-915 МГц). Чипы для имплантации обычно относятся к первой или второй группе. RFID-чипы идентифицируются с помощью радиоволн, и NFC-чипы относятся к высокочастотным.
Компания Biohax, имплантирующая сотрудникам TSM NFC-чипы, и другие компании, вроде Dangerous Things, позволяют пользователя выбирать, к примеру, между RFID и NFC-чипам. Обычно RFID-устройства используют как замену ключам и паролям, чтобы входить в дома, открывать и заводить машины или входить в ОС ноутбука. Также NFC-метки можно использовать, помимо прочего, для хранения vCards или адресов биткоин-кошельков. В Швеции компания Biohax стала партнёром железнодорожных компаний и её чипы можно использовать для хранения информации о билетах. Также можно программировать чипы как другие устройства или триггеры, чтобы, к примеру, коснуться телефона и позвонить жене.
xEM-чипы компании Dangerous Things, работающие на частоте 125 кГц, эмулируют распространённые низкочастотные чипы типа EM41xx, имеют программируемую память и базовые функции обеспечения безопасности, так что вы можете запрограммировать их или клонировать EM- или HID-мтеки, вроде идентификационных карт ProxMark II. Их xNT-чипы, работающие на частоте 13,56 Мгц, построены на базе чипа NTAG216. У них есть 888 байтов программируемой памяти и 32-битная парольная защита, они совместимы с NFC. Микрочипы xMI, работающие на частоте 13,56 Мгц, имеют 769 байтов программируемой пользовательской памяти и поддерживают защитные функции Crypto1; эти чипы подходят только некоторых NFC-устройств. Микрочипы xIC имеют 128 байтов программируемой памяти, но лишены всяких функций защиты; чипы тоже подходят только для некоторых NFC-устройств.
![]()
Риски для здоровья
Сегодня микрочипы настолько безопасны, что могут использоваться для маркировки ваших собак и кошек. Опаснее проколоть ухо для пирсинга, ведь имплантаты рубцуются гораздо быстрее, в течение часов. Однако Амал Граафстра предупреждает, что если вы имплантируете чип самостоятельно и пренебрегаете обеззараживанием, то рискуете получить заражение. Изредка даже подхватить MRSA — разновидность стафилококка, который уже стал устойчивым ко многим антибиотикам и может привести к смерти. Риск заражения ниже, если чип устанавливает опытный специалист по пирсингу с необходимыми инструментами и процедурой обеззараживания. К слову, устройства компании X-series обычно продаются уже вставленными в стерильное приспособление для имплантации.
После установки вокруг чипа может появиться припухлость и даже синяк, которые проходят через несколько дней. Инкапсуляция чипа соединительной коллагеновой тканью занимает 2-4 недели, и в течение двух лет ещё может возникать временный зуд или ощущение сдавливания, пока тело заживает вокруг чипа.
Согласно данным Dangerous Things, после того, как вокруг чипа окончательно сформировался рубец, его уже нельзя почувствовать под кожей, и у большинства людей он не выступает, пока не обхватишь ладонью что-нибудь большое. Если нажать на чип через кожу чем-нибудь твёрдым, то может быть немного больно, но просто не надо ничем нажимать.
Самые дешёвые микрочипы Dangerous Things помещены в корпуса из биологически нейтрального стекла. Они имплантируются под кожу между большим и указательным пальцами. Хотя чипы стеклянные, вероятность разрушения внутри тела невелика.
Имплантируемые микрочипы не являются помехой для проведения магниторезистивной томографии, они не определяются металлодетекторами или сканерами в аэропортах. А если вы решите, что чип вам больше не нужен, то его нетрудно вытащить. Чипы для животных покрывают биобондом (biobond) или париленом (parylene), но чипы для людей ничем не покрывают, поэтому извлекать их быстрее. К примеру, в 2004-м компания Verichip предложила имплантируемый микрочип для разблокирования личных медицинских карт. Он внедрялся в трицепс и был покрыт биобондом. Извлечение не предусматривалось, и вытащить микрочип можно было лишь с помощью болезненной операции, оставляющей шрам. Но современные микрочипы уже подразумевают быстрое и комфортное извлечение.
![]()
Риски с точки зрения безопасности
Если вы скептически относитесь к чипам-имплантатам, то вряд ли из-за возможных проблем со здоровьем. Голливуд и телевидение часто рассказывают, как устройства отслеживания используются для охоты за людьми. Но как может подтвердить каждый, кто терял домашнее чипованное животное, с помощью чипа невозможно никого отследить.
Чипы могут помочь идентифицировать, к примеру, животное в приюте или ветеринарной лечебнице, но в чипах нет GPS. И невозможно волшебным образом втайне впихнуть GPS в чип. Имплантируемому устройству, имеющему функцию отслеживания, нужен источник питания, который необходимо регулярно менять/перезаряжать. А у современных чипов батарейки нет, так что для считывания данных придётся прижать ладонь к считывающему устройству. К тому же сам имплантат должен быть довольно большим, чтобы получать сигнал GPS-спутников и передавать данные позиционирования по сотовой сети, Wi-Fi или ещё как-то.
Чисто теоретически возможно отследить человека с помощью его биомодификаторов, но в реальности это совершенно непрактично. Злоумышленнику придётся поместить в человека метку в определённом месте, а затем сделать устройство, генерирующее достаточно сильное электромагнитное поле, чтобы чип работал на большом расстоянии. Затем злодею придётся покрыть считывателем каждый квадратный сантиметр той части тела, куда запрятан чип. Не существует ещё экономической модели, оправдывающей такие усилия, особенно когда есть куда более простые и дешёвые способы отслеживания, вроде камер или банальной слежки на своих двоих. К тому же в карманах у нас лежат мобильные телефоны, которые достаточно легко взломать. А компании обычно могут читать вашу рабочую почту и с разной точностью отслеживать местонахождение любого, кто носит ноутбук или планшет, подключённый к корпоративной сети.
Второй большой страх по поводу чипов-имплантатов связан с традиционным хакингом. Потенциальной угрозе заражения чипов вирусом уделяется много внимания. В 2010-м британец Марк Гассон намеренно заразил RFID-чип в своей руке, чтобы посмотреть, сможет ли он передать вирус внешнему контрольному устройству. Ему это и впрямь удалось, но для успешной атаки по SQL-внедрению пользователь должен сканировать чип сначала вредоносным считывателем, а затем считывателем, который должен получить данные с карты доступа и без проверки передать их прямо в базу бэкенда.
Есть защищающие от электромагнитного поля перчатки, используемые при работе с устройствами вроде клетки Фарадея, но носить их непрактично и неудобно, а для низкочастотных чипов они могут оказаться бесполезны. Существуют приложения для считывания, например, NFC Tools Pro, позволяющие редактировать данные на чипе, так что технически возможно перепрограммировать чип в конце дня. Это словно выпускать новую карту доступа каждый день, но Портер утверждает, что это чревато для бизнеса новыми рисками и затратами, в том числе на администрирование и обучение; приводит к тому, что компании начинают использовать смартфоны в качестве устройств идентификации (вероятно, без соответствующего управления); да к тому же далёкие от техники люди получают возможность создавать карты доступа для посторонних. Однако большинство этих рисков можно снизить, используя более защищённые RFID-протоколы.
Сохранить все преимущества карт доступа (имплантированных и физических) и избавиться от вышеперечисленных недостатков можно с использованием второго фактора, комбинируя криптографическое доказательство с биометрической опцией, вроде отпечатка пальца или рисунка радужки. Компания Граафстры разрабатывает VivoKey, более продвинутое решение, но и более дорогое. Это полноценная криптографическая платформа, предназначенная специально для хранения ключей, шифрования и даже выполнения платежей и биткоин-транзакций. Платформа развёртывает инфраструктуру публичных и приватных ключей. Контроллер доступа шифрует в чипе датаграмму, а приватный ключ расшифровывает её, затем снова шифрует и отправляет обратно считывателю.
![]()
Пара косвенных рисков
Вынос секретной информации. Портер отмечает, что RFID-метки могут хранить какое-то количество текстовой информации. Если в компании строгие правила относительно использования флешек, то приносить и выносить их каждый день может быть затруднительно. А если один раз принести считывающе-записывающее устройство, то можно на работе записывать в имплантированный чип какие-то данные, и спокойно покидать с ними офис. При желании можно поместить чип под кожей поближе к обручальному кольцу, чтобы замаскировать его даже для очень чувствительных детекторов. Конечно, есть и более простые варианты, например, можно проглотить или спрятать на теле карту microSD. Тем более что на неё можно записать намного больше, чем на чип.
Что делать, когда чип устаревает?
В некоторых компаниях могут переживать о ситуациях, когда сотрудники увольняются и уносят в себе имплантированные чипы доступа. Но здесь всё работает иначе: вместо того, чтобы записывать ключи на RFID-метки, — как если бы вы давали людям обычные железные ключи, — программируются сами RFID-считыватели, чтобы они давали доступ конкретным чипам. И когда человек уходит из компании, то серийный номер его метки просто удаляется из базы данных разрешённого доступа.
Даже если вы считаете использование имплантата хорошей идеей и знаете, что его легко вытащить или заменить, не так много людей захотят проходить через эту процедуру так же часто, как, скажем, они меняют сотовые телефоны. К счастью, сегодня устаревание микрочипов не является серьёзной проблемой. Граафстра вставил себе в руку первый чип в 2005-м. Это был EM4102, который к тому времени выпускался уже около 20 лет. Даже сегодня вы можете купить считыватель за $10, который будет работать с этим чипом, как если бы вы подключили к новому смартфону Bluetooth-гарнитуру, купленную в 1999-м. Технологии не развиваются так же быстро, как стандарты и приложения. Ошибочно думать, что имплантированный сегодня микрочип через два года устареет. Это не сотовый телефон. Чипы строятся в соответствии со стандартами, и они должны быть обратно совместимы до тех пор, пока поддерживаются сами стандарты.
Для чипов xNT период сохранения данных, то есть продолжительность времени до настолько сильной деградации сигнала, что вы не сможете надёжно считать данные, составляет 10 лет. Количество циклов записи — 100 000, то есть если вы будете записывать на чип каждый день, то вам его хватит на 274 года. И при каждой перезаписи период сохранения записи перезапускается, так что теоретически хранить на чипе данные можно около 1 млн лет.
Те, кто хочет имплантировать себе чипы и антенны из существующих транспортных и платёжных карт могут столкнуться с проблемой устаревания, потому что у платёжных данных есть срок действия, а транспортные системы часто меняют используемые чипы. Но это уже не просто перепрограмирование данных на карте.
Будущее
Описание потенциальных проблем с устройствами следующих поколений, которые ещё не существуют, часто связано со слухами, как на китайских фабриках людям принудительно имплантируют чипы, если те хотят сохранить работу. Или вспоминают байки про солдата или младенцев, тоже принудительно очипованных (многие байки уже полностью развенчаны). Нередко статьи смешивают использование имплантированных чипов с самыми настоящими проблемами, связанными с с медицинскими устройствами или GPS-отслеживанием на мобильных телефонах. И всё это вперемешку с невнятными причитаниями по отсутствию законодательного регулирования.
Сегодня потенциал использования имплантируемых чипов, по-видимому, ограничен. Пока что самым популярным применением является замена физических ключей, карт доступа и даже паролей, чтобы упростить процедуру входа и снизить вероятность утечки. В то же время недостатки у чипов пока что пустячные. Многие из самых тревожных опасений проистекают из дезинформации или слухов, а настоящие потенциальные недостатки выглядят не страшнее пирсинга.
Читайте также:
