Сегодняшний Красноярск – это не только центр богатейшего в смысле природных ресурсов региона. Это еще и научный центр, где ведутся исследования, без преувеличения, мирового уровня. Одно из направлений, в котором давно и успешно продвигаются красноярские ученые, – использование аптамеров в лечении онкологических заболеваний.
Аптамеры – это олигонуклеотиды, по сути, цепочки РНК или ДНК. У них есть очень важное свойство: аптамеры, как заправские сыщики, находят в живом организме определенные клетки (так называемые мишени) и связываются с ними. Можно создать аптамер, «настроенный» на любую мишень. Например, на клетки злокачественной опухоли. И это можно использовать.
Кто-то из ученых удачно сравнил аптамер с лоцманом, который поможет доставить необходимое «оборудование» для борьбы с заболеванием. Причем очень точно: по молекулярному адресу прямо к пораженной клетке.
И диагностика, и терапия, и хирургия
Например, можно «оснастить» аптамер специальным красителем, который окрасит больную клетку. Такой метод повышает точность и диагностики рака, и операционного вмешательства.
Можно «связать» аптамер с химиотерапевтическим препаратом. В результате в разы снижается концентрация и достигается адресный эффект воздействия на злокачественную клетку.
И это очень важно. Ведь традиционная химиотерапия, убивая раковые клетки, не щадит и окружающие их здоровые ткани организма – страдают мозг, печень, другие органы. Химиотерапия с применением аптамеров позволяет прицельно «бить» по злокачественным клеткам, уничтожая только их.
Наконец, можно связать аптамер со своего рода «наноскальпелем» – микроскопическим металлическим диском – своего рода фрезой, которая, вращаясь в магнитном поле, разрежет злокачественную клетку. Фантастика? Отнюдь. Сегодня ученые Красноярского научного центра СО РАН и Красноярского государственного медицинского университета совместно с АО «НПП «Радиосвязь» апробируют эту технологию.
Стоит подчеркнуть, что красноярские ученые движутся сразу по всему спектру возможных направлений. С точки зрения полноты охвата темы наши исследователи занимают лидирующие позиции в сравнении с другими группами как в России, так и за рубежом. Показательно, что первая международная конференция в России, посвященная исследованию аптамеров, состоялась именно в городе на Енисее. Ее гостем в том числе был «отец» аптамеров – американский исследователь Ларри Голд, который высоко оценил научные результаты красноярцев.
А начиналось все в 2010 году усилиями группы энтузиастов.
Как все начиналось
Анна Кичкайло, доктор биологических наук, руководитель лаборатории цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ СО РАН, руководитель лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий Красноярского государственного медицинского университета имени В. Ф. Войно-Ясенецкого:
Мы ходили и объясняли всем, что это очень перспективная тема. Сначала нас услышали в КрасГМУ. Мы получили возможность работать по этому направлению. А в 2011–2012 годах получили первый грант на разработку аптамеров к раку легкого и возбудителям сальмонеллеза. Успешно выполнили эту работу. Сначала занимались только селекцией. Потом постепенно возникла потребность в фундаментальных работах на эту тему. Появилась необходимость в дополнительном физическом оборудовании и других методах исследования. И тогда нам предложили создать лабораторию в ФИЦ КНЦ СО РАН.
Так Анна Кичкайло стала руководителем сразу двух лабораторий. Впрочем, они дополняют друг друга. У одной уклон более фундаментальный биомедицинский и физико-технический, у другой – более прикладной, медицинский. А дело одно, общее, ведь между ФИЦ КНЦ СО РАН и КрасГМУ заключено соглашение о сотрудничестве в получении, изучении аптамеров и использовании их для разработки методов диагностики и терапии социально значимых заболеваний. К этому научному альянсу присоединились индустриальный партнер – АО «НПП «Радиосвязь», владеющее технологиями электроники, связи и приборостроения, и ведущие профильные медицинские учреждения региона – КГБУЗ «Красноярский краевой клинический онкологический диспансер им. А. И. Крыжановского» и Центр ядерной медицины ФМБА России.
Большую поддержку работе исследователей оказывали и оказывают научный руководитель ФИЦ КНЦ СО РАН Василий Шабанов, ректор КрасГМУ Алексей Протопопов и генеральный директор АО «НПП «Радиосвязь» Ринат Галеев.
Содействует проектам и «Корпорация развития Енисейской Сибири». Так, благодаря гранту конкурса «Енисейская Сибирь» сегодня ведутся исследовательские работы по магнитным нанодискам – инструментам микрохирургии.
Исцеляющие диски
Сергей Замай, старший научный сотрудник отдела молекулярной электроники ФИЦ КНЦ СО РАН, руководитель гранта по нанодискам и устройствам магнитомеханической микрохирургии:
Задел радиозавода был прежде всего в том, что у них есть цех наноэлектроники, который отработал схему получения трехслойных нанодисков. Это тоже непростая задача. Диски состоят из магнитной сердцевины – никеля, на который напыляется золото. Аптамеры химически связываются с золотом через специальную группу. Принципиально было показано, что разрушением опухолевых клеток (асцитных клеток АКЭ, клеток рака легкого и глиобластомы) можно дистанционно управлять с помощью переменного магнитного поля, используя связанные с аптамерами диски. Для успешного использования этого «умного наноскальпеля» необходимо создать роботизированную систему, чтобы врач мог управлять им дистанционно для уничтожения отдельных опухолевых клеток. Именно поэтому ключевым участником этих разработок стало предприятие АО «НПП «Радиосвязь», имеющее достижения в области нано- и микроэлектроники и разработке приборов и программного обеспечения.
В установке будут использоваться низкочастотные магнитные поля, абсолютно безвредные для человека. Напряженность такого поля в 100–1000 раз меньше, чем в установке МРТ.
Какова область применения наноскальпеля? Допустим, идет операция по удалению опухоли мозга. Хирург убрал пораженные ткани. Но остались отдельные невидимые глазу клетки. Они с высочайшей вероятностью приведут к росту новой опухоли. И тут должен вмешаться наноскальпель. Мозг орошается специальным спреем, насыщенным нанодисками, на поверхности которых закрепились аптамеры. Аптамеры находят раковые клетки и «приклеиваются» к ним. Затем включается переменное магнитное поле, и диски начинают двигаться, уничтожая клетки опухоли.
В исследованиях аптамеров применяется современное оборудование
Как скоро наноскальпель станет рабочим инструментом хирурга? К сожалению, результат здесь прямо связан с объемом финансирования, а его источники до сих пор не определены. Правда, работами красноярцев заинтересовались в федеральном центре, и это дает определенные надежды на то, что работы не закончатся с завершением гранта. Тем более что в этом заинтересованы не только ученые, но и их индустриальные партнеры. И, конечно, наноскальпель очень ждут врачи и их пациенты.
Сергей Басистый, заместитель генерального директора АО «НПП «Радиосвязь»:
Почему это для нас интересно? Во-первых, мы просто не могли пройти мимо. С учеными всегда сотрудничаем, будь то Институт физики или медицинский университет. Стараемся сформировать мощную научную основу для нашего производства. Ведь «Радиосвязь» – не просто изготовитель серийной техники. Мы научно-производственное предприятие, имеющее свое КБ. Кроме того, мы оборонное предприятие, и для нас важно развитие гражданских направлений. А медицинское направление – это очень перспективная тема.
Однако масштаб задачи настолько велик, что даже такое мощное предприятие, как «Радиосвязь», не может развивать это перспективное направление без дополнительного финансирования. Так, установки, которые находятся на предприятии, способны производить нанодиски – микроскопические «сэндвичи» из никеля и золота толщиной в несколько нанометров. Но производительность этих установок позволяет выпускать их в количестве, достаточном лишь для экспериментов на мышах. Надо закупать новое, более производительное оборудование, а это огромные затраты. Здесь необходима государственная поддержка, тем более что речь идет о наукоемком направлении, где Россия имеет все шансы добиться мирового приоритета.
От эксперимента к практике
Продвижение новой революционной технологии всегда сложно. Особенно в медицине, где цена вопроса – жизнь и здоровье человека. Поэтому отрадно, что в 2023 году в Красноярске будет сделан очень важный шаг: в онкологическом диспансере начнутся экспериментальные работы по использованию аптамеров в диагностике рака легкого и рака молочной железы.
Алена Зюзюкина, врач-онколог КГБУЗ «Красноярский краевой клинический онкологический диспансер им. А. И. Крыжановского»:
Будут отрабатываться такие методики, как выявление с помощью аптамеров циркулирующих в крови раковых клеток и определение границ резекции при операциях. Речь идет о двух основных нозологиях: раке молочной железы и раке легкого. Эти патологии занимают лидирующие места среди онкологических заболеваний.
Алексей Крат, заведующий отделением торакальной онкологии КГБУЗ «Красноярский краевой клинический онкологический диспансер им. А. И. Крыжановского»:
Допустим, во время операции я удаляю часть легкого, пораженного опухолью. Но микроскопические метастазы мы увидеть не можем, потому что наш глаз настроен на определенный размер. Но когда мы вводим препарат, в котором находятся аптамеры и специальный краситель, аптамер соединяется с раковой клеткой и окрашивает ее. Я убираю эти клетки и снова обрабатываю препаратом пораженный орган. Если окрашивания нет – операция заканчивается.
Точность и стерильность – залог успеха эксперимента
Вторая тема, по которой мы будем проводить клинические исследования, – это циркулирующие опухолевые комплексы, которые находятся в крови. Мы берем кровь, окрашиваем с помощью меченого флуоресцентной меткой аптамера и определяем наличие циркулирующих опухолевых клеток в крови человека, при том что другие методы диагностики пока не выявляют онкологическое заболевание. В диагностике и лечении рака эти методы имеют колоссальные перспективы.
Частицы запускают программы
Между тем поиски красноярских ученых продолжаются. Например, эксперименты показали, что в переменном магнитном поле наночастицы существенно меньших размеров, чем нанодиски, эффективно уничтожают раковую опухоль. Это показали эксперименты на мышах. Но неясен был механизм воздействия частиц на раковые клетки. К исследовательским работам подключились физики, специалисты по математическому моделированию, химики, биологи. Совместными усилиями загадка была разрешена.
Сергей Карпов, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского:
Мы используем механизм программируемой гибели злокачественных клеток. Запустить этот механизм можно извне посредством механического и адресного воздействия магнитных наночастиц в переменном магнитном поле на рецепторы клетки-мишени. При включении поля эти частицы начинают колебаться с определенной частотой и воздействуют на рецепторы, которые представляют собой специализированные механочувствительные белки на клеточной мембране. Это воздействие и запускает механизм программируемой смерти, или «саморазборки», клетки.
Интересно, что речь идет об очень маленьких частицах – размером 10–15 нанометров. Силы воздействия одной такой частицы недостаточно, чтобы «запустить» рецептор смерти. Но под влиянием переменного магнитного поля частицы объединяются в так называемые агрегаты. И совместным усилием включают «красную кнопку».
Результаты исследования опубликованы в престижном научном издании Journal of Physics D: Applied Physics (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/acb0dd).
Исследование и объяснение механизма воздействия наночастиц на рецепторы клетки открывает фантастические перспективы.
Например, как рассказала нам Анна Кичкайло, красноярские ученые исследовали возможность регенерации костной и хрящевой ткани с помощью магнитных наночастиц.
Механизм здесь тот же самый. Магнитные частицы под воздействием переменного поля объединяются в агрегаты и воздействуют на рецепторы клетки. Но другие рецепторы и на других (мезенхимальных) клетках, в которых стимулируется остеогенная дифференцировка. В результате собственные стволовые клетки человека начинают делиться, дифференцироваться, образуя костную и хрящевую ткань. Грубо говоря, происходит нечто напоминающее регенерацию у ящерицы, отращивающей утраченный хвост.
Соответствующие препараты и приборы, безусловно, найдут применение в лечении переломов, травм и болезней опорно-двигательной системы. Кроме этого, такой метод в перспективе позволит без следа исправлять челюстно-лицевые дефекты. Во всяком случае, в экспериментах на мышах дефекты черепа животных зарастали так, что не оставалось даже рубца. А доставят наночастицы в нужное место старые знакомые: «лоцманы» – аптамеры.
Мы рассказали далеко не обо всех исследованиях и достижениях наших ученых в области исследования и применения аптамеров. Но ясно одно: мы стоим на пороге совершенно новой медицины. И вклад красноярских исследователей и теоретиков здесь переоценить сложно.
