Алексей Тарасов: «Рош» помогала нам советом и антителами

Осенью 2019 года Roche Diagnostics объявила о создании прототипа устройства для диагностики у постели больного, основанного на полевых транзисторах. Новый прибор должен быть дешевым, компактным, простым и уметь измерять множество аналитов прямо в сыворотке крови, в том числе концентрацию больших белковых молекул, с той же точностью, что и большие лабораторные инструменты. Интрига в том, что сенсоры на  транзисторах никогда не удавалось использовать для определения концентраций больших молекул в концентрированных растворах. Roche профинансировала разработку, а решила проблему группа из немецкой BioMed X под руководством Алексея Тарасова, немецкого ученого российского происхождения. Мы связались с Алексеем, и он рассказал нам историю необычной работы.

Алексей, в прессе вас называли российским ученым, но мы не обнаружили ваших публикаций в составе российских команд. В чем тут дело? Ошибка?

Наверное. Я родился и вырос в России, но не учился и не работал там. 20 лет назад мы с родителями переехали из Новосибирска в Германию. Я закончил в России 10 классов, а школа в Германии длится дольше, 12–13 лет. Еще надо было пройти пару классов. Это мне помогло, надо было язык учить. Потом университет закончил в Дюссельдорфе. Я сам-то физик, к биологическим задачам постепенно пришел. В Дюссельдорфе было много лазерной и плазменной физики, но мне лично не очень понравилось работать с лазерами: постоянно в темной комнате! Я попробовал материаловедение, начал с полупроводников, понравилось больше. Для меня важно прикладное применение, и когда я перешел в Базель, там как раз был проект с полупроводниковыми элементами для измерений в жидкости. Химический сенсор, биологии на этой стадии было мало. Потом я перешел постдоком в Атланту и там участвовал в проекте на стыке с биологией. Там уже появились антитела, белки… Сотрудничал с биологами, участвовал в разработке сенсора для диагностики болезней у животных, скажем, воспаления легких у коров. Это был уже сенсор для диагностики, но немножко упрощенный вариант. Мы работали в разбавленной сыворотке, решения для длины Дебая тогда еще не было.

Длину Дебая? Это фишка вашей разработки с «Рош»?

Сейчас объясню. Идея использовать транзисторы в этом направлении — не новая, она существует с 70-х годов, уже лет 50. Раньше их использовали, например, для определения значения рН, измерения концентраций маленьких молекул и ионов. (Заряженные молекулы прикрепляются к поверхности сенсора, генерируют электрическое поле, которое обнаруживается и анализируется в считывающем устройстве. —PCR.news). Определение больших молекул, вроде белков, с помощью транзисторов считалось почти невозможным. Есть физические ограничения.

Фактически что получается? Если у вас есть положительно или отрицательно заряженные группы на поверхности, как у тех же белков, и все это находится в контакте с электролитом, то есть с жидкостью, в которой есть заряженные частицы, например, растворенная соль, то эти ионы почти мгновенно нейтрализуют заряды на поверхности. Есть так называемая длина Дебая — показатель того, как быстро все это происходит. Она зависит от концентрации соли. В сыворотке крови концентрация ионов очень высокая, шансов нет белок измерить. Поэтому люди что делали раньше? Они пытались использовать не сыворотку, а другой какой-нибудь раствор, без соли, разбавленный. Но если вы хотите, чтобы у вас был очень компактный прибор, вы должны придумать, как не разводить образец и все же измерить концентрацию интересующих молекул.

И вы придумали? И это как-то связано с этим параметром — длиной Дебая?

Да, преимущество нашего метода в том, что образец разводить не нужно. На поверхность сенсора напылено золото. Сенсор соединен с транзистором, и на этом золоте есть антитела, фрагменты их, и они смешаны со специальным полимером, полиэтиленгликолем. Он значительно усиливает сигнал. Одновременно многие ионы, которые находятся на поверхности, перераспределяются, длина Дебая увеличивается, и можно измерять большие молекулы. Мы использовали в качестве модели гормон тиреотропин, 30 кДа, большую такую штуку.

Откуда появилась идея использовать полимер? Расскажите историю.

Я работаю в этом направлении довольно долго. Были идеи других людей, что можно покрыть эту поверхность другими молекулами. Попробовали смешать антитела с полиэтиленгликолем, ну и получилось. В сыворотке, я думаю, мы первыми получили такие данные, с антителами — тоже. До этого были работы в других растворах, неспецифический эффект.

Вы уже тогда понимали, что идея взлетит? Что придет успех?

Надеялись, что я могу сказать! Я в это время начал работу в частном научном центре BioMed X в Германии — это что-то вроде инкубатора для идей. Проект финансировала «Рош».

Вы вышли на «Рош», или они на вас? Вообще как это происходит?

Сначала встретились представители «Рош» — потенциального спонсора, и представители BioMed X. В этой фазе меня еще нет. На тот момент я вообще был в Америке. Мой бывший шеф, который основал компанию BioMed X, — Кристиан Тидона — встречался с представителями потенциальных спонсоров и обсуждал с ними, какой совместный проект они хотели бы сделать. Преимущество модели BioMed X состоит в том, что проекты соединяют творческий подход к решению проблем, свойственный академическим инкубаторам, и ориентированность на продукт. Обе стороны важны для успешных инноваций. Такая модель сотрудничества называется "outcubator" и была опубликована в журнале Nature Biotechnology.

Потом BioMed X и спонсоры ищут идеи, ставят проблему, ищут людей. Я видел эту проблему, написал заявку: есть такая вот идея, можно решить таким вот способом. Они приглашают кандидатов со всего мира в Гейдельберг, в так называемый boot camp. Всего было 20 человек. Мы приехали и на пять дней там остались. Нас разделили на 4 группы, эти группы развивали свои идеи вместе со спонсорами и через 5 дней представляли работу жюри. По итогу конкурса выбрали часть команды — меня и нескольких сотрудников — пять разных национальностей. Ну и что мы там предложили, то и решили делать. У меня была некоторая свобода действий, «Рош» помогала нам советом и антителами. Они проект финансировали, поэтому вся интеллектуальная собственность переходит из BioMed X в «Рош». На данный момент есть две заявки на патенты. После заявки можно опубликовывать данные.

Сколько времени прошло от старта до первого рабочего прототипа?

Весь этот проект длился четыре года. Сначала три, и потом продлили на год. Начали в 2015 году, опубликовали первую статью через полтора года, потом ещё нужны были дополнительные данные. Через три-четыре года был уже proof-of-principle, так примерно. Шесть статей и материал для двух кандидатских диссертаций.

Что было самое трудное?

Трудностей было много и разных. Мы стартовали с нуля, нас было пять человек. BioMed X снимает помещения в технопарке недалеко от Университета Гейдельберга. Там можно взять в аренду оборудованную лабораторию, но в нашей лаборатории из-за специфики проекта не хватало некоторых специальных приборов: нужно было их покупать, чтобы работать, а время ограничено. Ещё начали сотрудничество с компанией InnovationLab, получили доступ к чистому помещению для производства некоторых сенсоров. Непонятно было, будет ли работать идея с этими полимерами… Это был риск. Но как-то получилось, повезло, можно сказать, с первого раза. Потом были, разумеется, трудности с тем, как это улучшить, насколько это контролируется.

Много было промежуточных вариантов?

Много. Постепенно повышали сложность. Сначала измеряли в простом растворе: соль в воде, не более того. Потом добавили белок. На первой стадии проверяли, работает ли это вообще. Сравнили эффект полимера одного против полимера другого, или без полимера. Просто антитела — это был первый эксперимент. Потом антитела с полимером, просто в соленой воде. Потом добавили сыворотку. Был у нас промежуточный шаг: работали не с человеческой сывороткой, а с лошадиной, в ней нет человеческого тиреотропина, а вязкость та же.

Мы показали, что есть определенное разрешение, чувствительность, определили характеристики сенсора в разных растворах, которые требуются для диагностики. Дальше уже, конечно, сложнее: менее научные, более технологические вопросы. Как, например, эти антитела в сухое состояние перевести, год хранить, чтобы потом сенсор с ними так же работал? Стабильностью сенсоров или проблемами их производства в большом количестве мы не занимались. Если мы произведем 1000 сенсоров, какие у них будут характеристики, сильно ли будут отличаться, какой разброс? До сих пор неясно, будет из этого в конце концов какой-то коммерческий продукт или нет.

А на других белках пробовали? Кроме этого гормона?

Да, сейчас мы как раз занимаемся этим. Одну статью мы опубликовали о том, как использовали вместо обычных антител антитела поменьше. Есть такие животные — альпаки, вот у них антитела значительно меньше, чем у нас. За счет этого можно еще приблизить белок к поверхности, тем самым эффект увеличивается. Показали на примере зелёного флуоресцентного белкa, который широко используется в качестве светящейся метки.  Другая статья еще не опубликована, но метод можно использовать для других белков тоже. Кроме белков занимались анализами метаболитов, и уровня некоторых ионов и газов в крови.

Белок выступает в роли затвора транзистора, правильно?

Да. Как дополнительный эффект к затвору. То есть такой получается биохимический затвор.

Получается, антитела нужно готовить под каждый белок. Под другой аналит вам придется готовить систему заново?

На данный момент мы используем антитела, которые уже существуют. Как модель мы взяли антитела для тиреотропина, они используются в диагностике, уже разработаны компанией «Рош». Но это действительно непростой вопрос, не на все аналиты существуют антитела. Есть другие варианты: какие-то искусственные антитела, аптамеры, например, которые быстро готовятся. Или, как я упомянул, антитела альпаки. Их, в конце концов, можно без всяких альпак производить, синтетически. Но это пока не совсем развито.

В перспективе можно будет на сенсор много антител поместить? Для разных аналитов?

В принципе да, это зависит от антител и их смеси: как мы их смешаем, с какими полимерами. Если заменить антитело на другое антитело и подогнать немножко размер, полимеры, их соотношение на поверхности, то да, это возможно.

А в чем выигрыш метода по сравнению с иммунохроматографией?

Мы обошлись без всяких меток, измеряется чисто белок. И образец не нужно готовить. В этом преимущество.

Кто занимается проектом сейчас? Вы отдали его в «Рош»? Или вы в своей группе продолжаете работать?

«Рош» будет продолжать дальше. Последние полгода я еще был консультантом, мы заканчивали проект, все знания переводили на «Рош». А я сейчас перешел в Университет прикладных наук Кайзерслаутерна, у меня другие цели. Сейчас будем улучшать эти транзисторы, может быть, с живыми клетками что-то сделаем. Новые материалы и методы попробуем. Я, конечно, буду дальше заниматься транзисторами, у нас тоже есть сотрудничество с компаниями. Посмотрим. Кроме того, я здесь, в Кайзерслаутерне, примерно полгода, и у меня много лекций: физическая химия, полупроводниковые приборы, про сенсоры, про биосенсоры… Я раньше тоже преподавал, но здесь это, на данный момент основная работа.

А нет идеи перейти в компанию на работу, вас же наверняка звали?

Я несколько лет работал в частной компании BioMed X. Кроме того, мы тесно сотрудничали с Roche. Было очень интересно, многому научился, успешно завершили проект. Сейчас рад новым задачам на должности профессора в Кайзерслаутерне.

А сделать свой стартап?

Как университет прикладных наук мы заинтересованы в трансфере технологий и их внедрении. Не исключаю, что некоторые разработки успешных проектов могут перейти в стартап. Мы это поддерживаем. 
Добавить в избранное

Вам будет интересно