Эффективное лечение злокачественных опухолей – одна из важнейших задач, стоящих перед мировой наукой, причем не только медицинской. В борьбу с онкологией давно включились ученые самых разных специальностей и направлений: биологи и микробиологи, врачи и фармакологи, химики, физики, биохимики и биофизики.
Группа красноярских исследователей уже несколько лет ведет работу над проектом, связанным с селективным разрушением раковых клеток наночастицами золота и других материалов.
Такие частицы с помощью специальных биологических молекул адресно доставляются к злокачественным клеткам, после чего эти клетки уничтожаются различными физическими воздействиями, в том числе лазерным излучением.
Для адресной доставки обычно используют аптамеры – «молекулы-поводыри», которые представляют собой искусственные одноцепочечные последовательности ДНК или РНК. Такие системы доставки называют биоконъюгатами.
Это совместная работа ученых Федерального исследовательского центра «КНЦ СО РАН», Института физики им. Л. В. Киренского, Красноярского государственного медуниверситета им. проф. В. Ф. Войно-Ясенецкого и Сибирского федерального университета.
Одна из первых заметных публикаций красноярских ученых в мировой научной периодике, посвященная результатам таких исследований, появилась в сентябре 2017 года в журнале Molecular therapy.
Тогда об этой работе сообщили многие красноярские СМИ и российские информагентства. Правда, из некоторых восторженных сообщений можно было понять, что ученые вот-вот начнут лечить людей от рака с помощью золотых наночастиц. Но легко сказка сказывается.
Пока достичь устойчивых результатов удалось только на подопытных животных. Для дальнейшего использования метода в медицине надо провести полные доклинические и клинические испытания препарата.
Поэтому эксперименты в научных лабораториях продолжаются. Готовятся новые публикации, появляются интересные, порой неожиданные результаты.
Об этом мы поговорили с одним из участников группы, работающей над проектом.
Из жизни биоконъюгатов
Сегодня гость «Территории новых идей» – Сергей Васильевич КАРПОВ. Специалист в области оптики и наноструктурированных материалов. Доктор физико-математических наук, профессор института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ и Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ, ведущий научный сотрудник лаборатории когерентной оптики Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, заведующий кафедрой физики СибГУ им. М. Ф. Решетнева. 40 лет жизни Сергей Карпов отдал науке, он автор почти двухсот статей и монографий.
– Сергей Васильевич, для гуманитарного уха звучит слегка пугающе: наночастицы, аптамеры, молекулы ДНК, биоконъюгаты… Могли бы вы рассказать простым языком, что представляет собой этот метод воздействия на раковые клетки? И как вы, физик, оптик, попали в проект, связанный с медициной?
– Применение лазера, в том числе в медицине, – одно из направлений, которым мы занимаемся в лаборатории когерентной оптики.
Несколько лет назад ко мне обратились ученые из Красноярского медуниверситета – Татьяна Николаевна и Сергей Сергеевич Замай. Они занимаются воздействием различных физических факторов на злокачественные новообразования. Их дочь, Анна Кичкайло, заведует лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ и тоже занимается этой темой.
Они попросили меня поучаствовать в экспериментах с использованием наших ресурсов и наработок.
Вот так мы, физики и медики, пересеклись, я заинтересовался этим и вошел в тему. Вообще она в мире уже известная, но перед нами стояла задача смоделировать конкретные ситуации с помощью известных методов.
Подопытному животному, больному раком, в кровь с помощью шприца вводится раствор с наночастицами золота. Их размер – от 10 до 100 нанометров. Это примерно несколько десятков тысяч атомов.
Очень важно, что каждая такая частица находится как бы в «шубе» из ДНК-аптамеров – это такие молекулы, или фрагменты ДНК, которые обладают способностью избирательно осаждаться на раковых клетках, как бы привязываться к ним. Для этого у них есть система распознавания типа «ключ – замок».
Так вот, благодаря аптамерам наночастицы «цепляются» к больным клеткам, а здоровые обходят стороной.
Затем мы вводим волноводы-световоды в расположение опухоли. Диаметр волновода может быть от одного до нескольких миллиметров. И через них передается лазерное излучение – импульсное или непрерывное.
Оно воздействует на эти наночастицы, которые поглощают свет. В наночастице возбуждается так называемый поверхностный плазмонный резонанс: в ней электроны начинают колебаться относительно кристаллической решетки с частотой внешнего поля. Они раскачиваются и нагревают саму частицу за десятки пикосекунд. Та, в свою очередь, нагревает вокруг себя жидкость…
И происходит передача тепловой энергии на мембрану больной клетки. Она перегревается и погибает. Здоровые клетки остаются невредимыми. Этот метод называется гипертермией.
– И какая задача стояла здесь перед вами как перед физиком?
– Мы строим строгие модели и пытаемся понять, какое воздействие требуется в каждом конкретном случае: непрерывное излучение или импульсное? Какой длительности и интенсивности?
Медики работают с разными типами онкологических новообразований, и, разумеется, для каждого из них нужны разные воздействия. То, чем я занимаюсь в проекте как физик, называется фотоникой или нанофотоникой – это раздел оптики, изучающий взаимодействие света с очень малыми фрагментами вещества, наночастицами.
Замечу, что максимальное поглощение света у сферических наночастиц лежит в области видимого диапазона спектра: примерно от 400 до 700 нанометров. Для человеческого организма это не оптимальный диапазон, потому что самый сильный поглотитель оптического излучения – наша кровь, содержащая гемоглобин.
– То есть в крови часть «полезного» излучения теряется?
– Можно и так сказать. Мы поставили себе задачу придумать такие частицы, у которых резонанс, где наблюдается максимально эффективное поглощение лазерного «света», лежит вне полосы поглощения его гемоглобином. Это где-то ближе к концу видимой границы диапазона, от 700 нанометров и более.
Значит, надо светить тем излучением, для которого кровь прозрачна, не создает препятствий. А это именно диапазон 700–800, более длинноволновый. Для него мы предложили использовать частицы, которые являются не просто однородной крупицей золота, а состоят из ядра и золотой оболочки.
Ядро – из оксидов цинка с определенной фракцией атомов алюминия. Золотая оболочка чрезвычайно нужна, потому что только на золото садятся аптамеры… Такие двухкомпонентные наночастицы позволяют эффективней использовать лазерное излучение.
– Чрезвычайно интересно и вполне понятно то, о чем вы рассказываете. Это, как я понимаю, способы, связанные с гипертермией. А какие еще есть физические методы воздействия на раковую клетку, взятую в плен наночастицами?
– Есть еще способ, над которым мы сейчас работаем, и недавно отправили об этом статьи в одну научную редакцию, ждем публикации. Ваша газета первая, которой я об этом рассказываю.
Этот метод связан с нанопузырьками. Здесь тоже применяется импульсное лазерное излучение и та же схема: частицы локализуются на мембране злокачественной клетки. Но мы увеличиваем интенсивность излучения, и вокруг частиц возникает паровая оболочка. То есть они греются настолько, что происходит закипание жидкой среды крови, в сущности, воды… В момент зарождения этой паровой оболочки перед ее фронтом происходит сильное повышение давления, создается практически ударная волна, которая распространяется в жидкости. И ее сила на порядок превышает прочность мембраны раковой клетки. Она повреждается. А поскольку на мембране таких наночастиц очень много, они «коллективно» ее разрушают, больная клетка погибает.
– Я смотрю, эксперименты идут вокруг того, каким еще издевательствам можно подвергнуть раковую клетку, в которую вцепилась наночастица с аптамером?
– Мы пробовали «поиздеваться» над ней магнитным полем. Оболочка наночастицы, как я сказал, всегда из золота. А вот с ее ядром можно экспериментировать. И мы взяли наночастицы, у которых ядро из магнетита – это один из оксидов железа. Если золото с магнитным полем не взаимодействует, то такие частицы взаимодействуют с ним очень эффективно, ведь они по сути микроскопические магнитики.
Животное, которому была привита сложная карцинома и введены такие наночастицы, помещали в переменное магнитное поле. Были получены уникальные результаты. Можно сказать, почти случайно. Карцинома исчезла! Об этом группа профессора Т. Н. Замай опубликовала статью.
А мы, физики, пытаемся объяснить, почему это происходит, найти механизм этого воздействия. Дело в том, что частица, привязанная к мембране злокачественной клетки, в переменном магнитном поле испытывает осцилляции – раскачивается туда-сюда. И взаимодействует с трансмембранным белком, который пронизывает внутреннее пространство клетки.
И как только магнитное поле заставляет наночастицу двигаться, отрываться от мембраны, этот трансмембранный белок немного смещается, и это может приводить к «саморазборке» больной клетки, к ее гибели…
Все три метода: гипертермия, паровые нанопузырьки и воздействие магнитных полей – диссертационная тематика одного из наших аспирантов. Вот чем мы, физики, занимаемся в интересах медицины. Такие исследования имеют колоссальное значение для разработки новых методов лечения рака, и в мире многие ведущие научные центры работают над этой темой.
– Но давайте напомним читателям, что все эти методы испытаны пока на лабораторных животных. И хотя результаты получены обнадеживающие, людей этим методом в России пока не лечат, так?
– Увы, пока нет. Совокупность методов физического воздействия на злокачественную клетку находится еще в процессе становления. Правда, я слышал, что в Германии это уже пытаются внедрить во врачебную практику. У нас впереди еще много работы, и в лабораториях, и в клиниках.
«Проблемы науки не только в деньгах»
– Сергей Васильевич, в последние годы о проблемах российской науки открыто говорят на самых высоких уровнях – от президента страны и главы правительства до ведущих ученых и ректоров. В прессе об этом постоянно идут дискуссии.
А что, по вашему мнению, больше всего сдерживает сегодня развитие науки в стране?
– Если я скажу о чрезвычайно низком финансировании, это, наверное, будет общим местом. Но эту проблему никак не обойдешь, финансирование науки действительно оставляет желать лучшего. Знаете, какие зарплаты сегодня в красноярских научных институтах у молодых ученых? У аспиранта, например, стипендия семь тысяч.
Но мы шутим, успокаиваем себя, что у него, мол, такая судьба: 3–4 года покипеть в аду, чтобы сделать себе диссертацию. Зато потом…
А что потом? Сначала ты будешь младшим научным сотрудником с зарплатой 22 тысячи. До старшего надо еще дорасти, поработать. А когда дорастешь, будешь получать аж 30 тысяч. И на эти деньги содержи семью, покупай квартиру.
Гранты? Они очень скромные. Например, те, что дает Российский фонд фундаментальных исследований, – это на канцелярию и пару командировок. Гранты вообще предпочитают давать большим научным коллективам, а над темой, о которой мы с вами говорили, у нас в лаборатории работают 2–3 человека вместе со мной, поэтому трудимся исключительно за зарплату.
Поэтому молодежь в науку идет очень неохотно. Когда я поступал на физмат КГУ в начале 70-х, у нас был конкурс четыре человека на место.
Быть физиком считалось престижно! О нас фильмы снимали и книги писали.
А сейчас на физмат конкурса нет, это же вам не торговый институт. В науку сейчас молодые ученые приходят не затем, чтобы зарабатывать. Она держится на энтузиастах, которые трудятся за идею, потому что им нравится заниматься этим делом.
Хотя бог с ними, с деньгами. Мы помним и худшие времена, 90-е годы. Когда зарплата рядового ученого была 10–15 долларов. Тогда из науки очень много людей ушло. А в двухтысячных наполовину сократили тех, кто остался. У нас в лаборатории работало 32 человека, сегодня – шесть! Мы после того страшного удара по научным кадрам до сих пор не оправились.
Но на самом деле не одни деньги все решают. Если кто-то думает, что мы сейчас дадим сто миллионов, наберем людей с улицы – и они завалят нас научными открытиями, то так не получится.
Потому что наука может развиваться, когда есть крупная научная школа, научный лидер, традиции, определенный состав сотрудников. Люди, которые уже в этом бульоне поварились, опытные, со своими наработками. Которые знают, в каком направлении двигаться. Словом, нужна среда. А мы ее в значительной степени потеряли. Одиночки в науке ничего не решают. Я только одного такого знаю – Альберт Эйнштейн. Но это случай исключительный.
Кстати, там, где кадры не растеряли, у нас есть достижения мирового уровня. Например, вакцина от коронавируса, лучшая в мире. Ее придумали в Центре им. Гамалеи. А знаете почему? Были наработки. Там руководитель сохранил состав института, старые кадры. У них трудятся ученые от 90 лет до 25. Не произошло разрыва поколений, не стали сокращать всех подряд по требованию бывшего министра науки Ливанова.
А проблема номер один в нашей науке, и академик Алферов многократно об этом говорил, – отсутствие промежуточных структур между производством и фундаментальной наукой. Это очень важно.
В советские времена работали заводы, и при каждом министерстве были профильные институты, которые занимались воплощением научных идей в конкретные изделия. Это были прикладные НИИ. И вот эта «прокладка» между фундаментальной наукой и производственным предприятием исчезла.
У нас нет заказчиков, нет заинтересованности в научных разработках со стороны крупного бизнеса и промышленности высоких технологий. Как, например, в Китае или на Тайване. Точней, их крайне мало. Воссоздание таких ведомственных научно-исследовательских институтов, которые ловили бы научные идеи и пытались их трансформировать на практике, – залог возрождения российской науки.
«Объекты и структуры»
Вчера, 27 марта, в музейном центре «Площадь Мира» открылась художественная выставка «Объекты и структуры». Работы, созданные в стиле научных фотографий и коллажей, показывают направления исследований ученых КНЦ СО РАН.
Например, в Институте биофизики разрабатывают биорегенеративные системы жизнеобеспечения человека на основе высших растений, которые станут прообразом автономных космических станций и планетарных баз. Созданный еще в 70-е годы прошлого века комплекс БИОС-3 впервые в мире показал возможность обеспечения основных потребностей человека в воздухе, воде и пище за счет замкнутых экологических процессов.
На снимке: некоторые компоненты этих процессов: керамзит, почвоподобный субстрат, одноклеточная зеленая водоросль Chlorella vulgaris, пшеница Triticum aestivum L.
Фото Анастасии ТАМАРОВСКОЙ
