Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1030310.32607/20758251-2018-10-4-4-18ReviewsОбзорыResearch ArticleThe EIMB Hydrogel Microarray Technology: Thirty Years LaterТехнология гидрогелевых биочипов ИМБ РАН: 30 лет спустяGryadunovD. A.ГрядуновД. A.
Russian Federation
grad@biochip.ruShaskolskiyB. L.ШаскольскийБ. Л.
Russian Federation
grad@biochip.ruNasedkinaT. V.НаседкинаT. В.
Russian Federation
grad@biochip.ruRubinaA. Yu.РубинаA. Ю.
Russian Federation
grad@biochip.ruZasedatelevA. S.ЗаседателевA. С.
Russian Federation
grad@biochip.ruEngelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of SciencesИнститут молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН15122018104VOL 10, NO4 (2018)ТОМ 10, №4 (2018)41817012020Copyright ©; 2018, Gryadunov D.A., Shaskolskiy B.L., Nasedkina T.V., Rubina A.Y., Zasedatelev A.S.Copyright ©; 2018, Грядунов Д.A., Шаскольский Б.Л., Наседкина T.В., Рубина A.Ю., Заседателев A.С.2018Gryadunov D.A., Shaskolskiy B.L., Nasedkina T.V., Rubina A.Y., Zasedatelev A.S.Грядунов Д.A., Шаскольский Б.Л., Наседкина T.В., Рубина A.Ю., Заседателев A.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10303

Biological microarrays (biochips) are analytical tools that can be used to implement complex integrative genomic and proteomic approaches to the solution of problems of personalized medicine (e.g., patient examination in order to reveal the disease long before the manifestation of clinical symptoms, assess the severity of pathological or infectious processes, and choose a rational treatment). The efficiency of biochips is predicated on their ability to perform multiple parallel specific reactions and to allow one to study the interactions of biopolymer molecules, such as DNA, proteins, glycans, etc. One of the pioneers of microarray technology was the Engelhardt Institute of Molecular Biology of the Russian Academy of Sciences (EIMB), with its suggestion to immobilize molecular probes in the three-dimensional structure of a hydrophilic gel. Since the first experiments on sequencing by hybridization on oligonucleotide microarrays conducted some 30 years ago, the hydrogel microarrays designed at the EIMB have come a long and successful way from basic research to clinical laboratory diagnostics. This review discusses the key aspects of hydrogel microarray technology and a number of state-ofthe-art approaches for a multiplex analysis of DNA and the protein biomarkers of socially significant diseases, including the molecular genetic, immunological, and epidemiological aspects of pathogenesis.

Биологические микрочипы являются аналитическим инструментом, позволяющим реализовать в доступной форме сложные интегративные подходы геномики и протеомики, решать задачи персонализированной медицины - проводить обследование пациента для выявления заболевания задолго до проявлений клинических симптомов, прогнозировать тяжесть протекания патологических и инфекционных процессов, выбирать эффективные и рациональные режимы терапии. Эффективность биочипов обусловлена возможностью параллельного проведения множества специфических реакций и исследования взаимодействий молекул биополимеров, таких, как ДНК, белки, гликаны. Одним из пионеров технологии биологических микрочипов стал Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук (ИМБ РАН), предложив иммобилизацию молекулярных зондов в трехмерной структуре гидрофильного геля. С момента первых экспериментов по секвенированию с помощью гибридизации на олигонуклеотидных микроматрицах, проведенных 30 лет назад, гидрогелевые биочипы ИМБ РАН прошли долгий и успешный путь от фундаментальных исследований до клинической лабораторной диагностики. Настоящий обзор посвящен обсуждению ключевых аспектов технологии гидрогелевых биочипов и ряду актуальных приложений к мультиплексному анализу ДНК и белковых биомаркеров социально значимых заболеваний, включая молекулярно-генетические, иммунологические и эпидемиологические аспекты патогенеза.

hydrogel microarraysnucleic acid hybridizationmultiplex immunochemical assayantimicrobial drug resistancegenotypingtumor markersгидрогелевые биочипыгибридизация нуклеиновых кислотгенотипированиелекарственная устойчивость микроорганизмовмультиплексный иммуноанализонкомаркерыThis work was supported by the RNF grants No. 14-50-00060 and 17-75-20039.Работа поддержана грантами РНФ № 14-50-00060 и 17-75-20039.[1] Marzancola M.G., Sedighi A., Li P.C. // Methods Mol. Biol. 2016, V.1368, P.161-178[2] Rosenfeld S. // Gene Regul. Syst. Bio. 2010, V.4, P.61-73[3] Eklund A.C., Szallasi Z. // Genome Biol. 2008, V.9, №2, P.26[4] Salazar R., Roepman P., Capella G., Moreno V., Simon I., Dreezen C., Lopez-Doriga A., Santos C., Marijnen C., Westerga J. // J. Clin. Oncol. 2011, V.29, №1, P.17-24[5] Damin F., Galbiati S., Ferrari M., Chiari M. // Biosens. Bioelectron. 2016, V.78, P.367-733[6] Le Goff G.C., Srinivas R.L., Hill W.A., Doyle P.S. // Eur. Polym. J. 2015, V.72, P.386-412[7] Beyer A., Pollok S., Berg A., Weber K., Popp J. // Macromol. Biosci. 2014, V.14, №6, P.889-898[8] Yershov G., Barsky V., Belgovskiy A., Kirillov E., Kreindlin E., Ivanov I., Parinov S., Guschin D., Drobishev A., Dubiley S. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996, V.93, №10, P.4913-4918[9] Rubina A.Y., Pan’kov S.V., Dementieva E.I., Pen’kov D.N., Butygin A.V., Vasiliskov V.A., Chudinov A.V., Mikheikin A.L., Mikhailovich V.M., Mirzabekov A.D. // Anal. Biochem. 2004, V.325, №1, P.92-106[10] Rubina A.Y., Kolchinsky A., Makarov A.A., Zasedatelev A.S. // Proteomics. 2008, V.8, №4, P.817-831[11] Khrapko K.R., Lysov Yu P., Khorlyn A.A., Shick V.V., Florentiev V.L., Mirzabekov A.D. // FEBS Lett. 1989, V.256, №1-2, P.118-122[12] Sorokin N.V., Chechetkin V.R., Livshits M.A., Pan’kov S.V., Donnikov M.Y., Gryadunov D.A., Lapa S.A., Zasedatelev A.S. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2005, V.22, №6, P.725-734[13] Pan’kov S.V., Chechetkin V.R., Somova O.G., Antonova O.V., Moiseeva O.V., Prokopenko D.V., Yurasov R.A., Gryadunov D.A., Chudinov A.V. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2009, V.27, №2, P.235-244[14] Gryadunov D., Mikhailovich V., Lapa S., Roudinskii N., Donnikov M., Pan’kov S., Markova O., Kuz’min A., Chernousova L., Skotnikova O. // Clin. Microbiol. Infect. 2005, V.11, №7, P.531-539[15] Zimenkov D.V., Kulagina E.V., Antonova O.V., Zhuravlev V.Y., Gryadunov D.A. // J. Antimicrob. Chemother. 2016, V.71, №6, P.1520-1531[16] Zimenkov D.V., Antonova O.V., Kuz’min A.V., Isaeva Y.D., Krylova L.Y., Popov S.A., Zasedatelev A.S., Mikhailovich V.M., Gryadunov D.A. // BMC Infect. Dis. 2013, V.13, P.240[17] Shershov V.E., Lapa S.A., Kuznetsova V.E., Spitsyn M.A., Guseinov T.O., Polyakov S.A., Stomahin A.A., Zasedatelev A.S., Chudinov A.V. // J. Fluoresc. 2017, V.27, №6, P.2001-2016[18] Zasedateleva O.A., Vasiliskov V.A., Surzhikov S.A., Kuznetsova V.E., Shershov V.E., Guseinov T.O., Smirnov I.P., Yurasov R.A., Spitsyn M.A., Chudinov A.V. // Nucleic Acids Research 2018, V.46, №12, P.e73[19] Rubina A.Y., Dementieva E.I., Stomakhin A.A., Darii E.L., Pan’kov S.V., Barsky V.E., Ivanov S.M., Konovalova E.V., Mirzabekov A.D. // Biotechniques. 2003, V.34, №5, P.1008-1022[20] Lysov Y., Barsky V., Urasov D., Urasov R., Cherepanov A., Mamaev D., Yegorov Y., Chudinov A., Surzhikov S., Rubina A. // Biomed. Opt. Express. 2017, V.8, №11, P.4798-4810[21] Gryadunov D., Mikhailovich V., Lapa S., Roudinskii N., Donnikov M., Pan’kov S., Markova O., Kuz’min A., Chernousova L., Skotnikova O. // Clin. Microbiol. Infect. 2005, V.11, №7, P.531-539[22] Kurbatova E.V., Kaminski D.A., Erokhin V.V., Volchenkov G.V., Andreevskaya S.N., Chernousova L.N., Demikhova O.V., Ershova J.V., Kaunetis N.V., Kuznetsova T.A. // Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2013, V.32, №6, P.735-743[23] Nosova E., Krasnova M.A., Galkina K., Makarova M.V., Litvinov V.I., Moroz A.M. // Mol. Biol. (Mosk). 2013, V.47, №2, P.267-274[24] Vasil’eva I.A., Samoilova A.G., Ergeshov A.E., Bagdasarian T.R., Chernousova L.N. // Vestn. Ross. Akad. Med. Nauk. 2012, V.67, №11, P.9-14[25] Daurov R.B., Vasilyeva I.A., Perfilyev A.V., Chernousova L.N., Kuzmin A.V., Glazkova N.A. // Tuberk. Bolezni Legkih. 2010, V.87, №4, P.10-13[26] Mokrousov I., Vyazovaya A., Solovieva N., Sunchalina T., Markelov Y., Chernyaeva E., Melnikova N., Dogonadze M., Starkova D., Vasilieva N. // BMC Microbiol. 2015, V.15, P.279[27] Koser C.U., Bryant J.M., Comas I., Feuerriegel S., Niemann S., Gagneux S., Parkhill J., Peacock S.J. // J. Antimicrob. Chemother. 2014, V.69, №8, P.2298-2299[28] Nosova E.Y., Zimenkov D.V., Khakhalina A.A., Isakova A.I., Krylova L.Y., Makarova M.V., Galkina K.Y., Krasnova M.A., Safonova S.G., Litvinov V.I. // PLoS One. 2016, V.11, №11, e0167093[29] Zimenkov D.V., Nosova E.Y., Kulagina E.V., Antonova O.V., Arslanbaeva L.R., Isakova A.I., Krylova L.Y., Peretokina I.V., Makarova M.V., Safonova S.G. // J. Antimicrob. Chemother. 2017, V.72, №7, P.1901-1906[30] Bespyatykh J.A., Zimenkov D.V., Shitikov E.A., Kulagina E.V., Lapa S.A., Gryadunov D.A., Ilina E.N., Govorun V.M. // Infect. Genet. Evol. 2014, V.26, P.41-46[31] Zimenkov D.V., Kulagina E.V., Antonova O.V., Krasnova M.A., Chernyaeva E.N., Zhuravlev V.Y., Kuz’min A.V., Popov S.A., Zasedatelev A.S., Gryadunov D.A. // J. Clin. Microbiol. 2015, V.53, №4, P.1103-1114[32] Shaskolskiy B., Dementieva E., Leinsoo A., Runina A., Vorobyev D., Plakhova X., Kubanov A., Deryabin D., Gryadunov D. // Front. Microbiol. 2016, V.7, P.747[33] Leinsoo A.T., Shaskol’skii B.L., Dement’eva E.I., Gryadunov D.A., Kubanov A.A., Chestkov A.V., Obraztsova O.A., Shpilevaya M.V., Deryabin D.G. // Bull. Exp. Biol. Med. 2017, V.164, №1, P.54-60[34] Shaskolskiy B., Dementieva E., Leinsoo A., Petrova N., Chestkov A., Kubanov A., Deryabin D., Gryadunov D. // Infect. Genet. Evol. 2018, V.63, P.236-242[35] Kubanov A., Vorobyev D., Chestkov A., Leinsoo A., Shaskolskiy B., Dementieva E., Solomka V., Plakhova X., Gryadunov D., Deryabin D. // BMC Infect. Dis. 2016, V.16, P.389[36] Kubanov A.A., Leinsoo A.T., Chestkov A.V., Dementieva E.I., Shaskolskiy B.L., Solomka V.S., Gryadunov D.A., Deryabin D.G. // Mol. Biol. (Mosk). 2017, V.51, №3, P.431-441[37] Harris S.R., Cole M.J., Spiteri G., Sanchez-Buso L., Golparian D., Jacobsson S., Goater R., Abudahab K., Yeats C.A., Bercot B. // Lancet. Infect. Dis. 2018, V.18, №7, P.758-768[38] Welzel T.M., Bhardwaj N., Hedskog C., Chodavarapu K., Camus G., McNally J., Brainard D., Miller M.D., Mo H., Svarovskaia E. // J. Hepatol. 2017, V.67, №2, P.224-236[39] Manns M.P., Buti M., Gane E., Pawlotsky J.M., Razavi H., Terrault N., Younossi Z. // Nat. Rev. Dis. Primers. 2017, V.3, P.17006[40] Gryadunov D., Nicot F., Dubois M., Mikhailovich V., Zasedatelev A., Izopet J. // J. Clin. Microbiol. 2010, V.48, №11, P.3910-3917[41] Rodriguez-Frias F., Nieto-Aponte L., Gregori J., Garcia-Cehic D., Casillas R., Tabernero D., Homs M., Blasi M., Vila M., Chen Q. // Clin. Microbiol. Infect. 2017, V.23, №10, 10.1016/j.cmi.2017.02.007[42] Soria M.E., Gregori J., Chen Q., Garcia-Cehic D., Llorens M., de Avila A.I., Beach N.M., Domingo E., Rodriguez-Frias F., Buti M. // BMC Infect. Dis. 2018, V.18, №1, P.446[43] Nasedkina T.V., Guseva N.A., Gra O.A., Mityaeva O.N., Chudinov A.V., Zasedatelev A.S. // Mol. Diagn. Ther. 2009, V.13, №2, P.91-102[44] Nasedkina T.V., Ikonnikova A.Y., Tsaur G.A., Karateeva A.V., Ammour Y.I., Avdonina M.A., Karachunskii A.I., Zasedatelev A.S. // Mol. Biol. (Mosk). 2016, V.50, №6, P.968-977[45] Ikonnikova A.Yu., Fesenko D.O., Karateeva A.V., Zasedatelev A.S., Nasedkina T.V. // Patent 2639513. Russia. C12N 15/00. 2017, 2639513[46] Emelyanova M., Arkhipova K., Mazurenko N., Chudinov A., Demidova I., Zborovskaya I., Lyubchenko L., Zasedatelev A., Nasedkina T. // Appl. Immunohistochem. Mol. Morphol. 2015, V.23, №4, P.255-265[47] Emelyanova M., Ghukasyan L., Abramov I., Ryabaya O., Stepanova E., Kudryavtseva A., Sadritdinova A., Dzhumakova C., Belysheva T., Surzhikov S. // Oncotarget. 2017, V.8, №32, P.52304-52320[48] Rubina A.Y., Filippova M.A., Feizkhanova G.U., Shepeliakovskaya A.O., Sidina E.I., Boziev Kh.M., Laman A.G., Brovko F.A., Vertiev Y.V., Zasedatelev A.S. // Anal. Chem. 2010, V.82, №21, P.8881-8889[49] Duffy M.J., Lamerz R., Haglund C., Nicolini A., Kalousova M., Holubec L., Sturgeon C. // Int. J. Cancer. 2014, V.134, №11, P.2513-2522[50] Kufe D.W. // Nat. Rev. Cancer. 2009, V.9, №12, P.874-885[51] Butvilovskaya V.I., Popletaeva S.B., Chechetkin V.R., Zubtsova Z.I., Tsybulskaya M.V., Samokhina L.O., Vinnitskii L.I., Ragimov A.A., Pozharitskaya E.I., Grigoreva G.A. // Cancer. Med. 2016, V.5, №7, P.1361-1372[52] Vazquez-Ortiz M., Pascal M., Jimenez-Feijoo R., Lozano J., Giner M.T., Alsina L., Martin-Mateos M.A., Plaza A.M. // Clin. Exp. Allergy. 2014, V.44, №4, P.579-588[53] Feyzkhanova G.U., Filippova M.A., Talibov V.O., Dementieva E.I., Maslennikov V.V., Reznikov Y.P., Offermann N., Zasedatelev A.S., Rubina A.Y., Fooke-Achterrath M. // J. Immunol. Methods. 2014, V.406, P.51-57[54] Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O., Arefieva A., Filippova M., Barsky V., Pavlushkina L., Butvilovskaya V., Tikhonov A., Reznikov Y. // Clin. Proteomics. 2017, V.14, P.1[55] Voloshin S., Smoldovskaya O., Feyzkhanova G., Arefieva A., Pavlushkina L., Filatova T., Butvilovskaya V., Filippova M., Lysov Y., Shcherbo S. // PLoS One. 2018, V.13, №3, e0194775[56] Lysov Iu P., Florent’ev V.L., Khorlin A.A., Khrapko K.R., Shik V.V. // Dokl. Akad. Nauk SSSR. 1988, V.303, №6, P.1508-1511[57] Khodakov D.A., Zakharova N.V., Gryadunov D.A., Filatov F.P., Zasedatelev A.S., Mikhailovich V.M. // Biotechniques. 2008, V.44, №2, P.241-248[58] Kashkin K.N., Strizhkov B.N., Griadunov D.A., Surzhikov S.A., Grechishnikova I.V., Kreindlin E., Chupeeva V.V., Evseev K.B., Turygin A., Mirzabekov A.D. // Mol. Biol. (Mosk). 2005, V.39, №1, P.30-39[59] Gootenberg J.S., Abudayyeh O.O., Kellner M.J., Joung J., Collins J.J., Zhang F. // Science. 2018, V.360, №6387, P.439-444[60] Mamaev D., Shaskolskiy B., Dementieva E., Khodakov D., Yurasov D., Yurasov R., Zimenkov D., Mikhailovich V., Zasedatelev A., Gryadunov D. // Biomed. Microdevices. 2015, V.17, P.18