… о высоких технологиях в медицине

Елена Кудрявцева: органы из пробирки, нанолекарства и гены гениальности

Новые органы, которые растут прямо внутри организма, нанолекарства, проникающие в ДНК, и гены, отвечающие за гениальность,— "Огонек" собрал самые интересные научные направления, которые уже начали изменять нашу повседневную жизнь.
Сотни докладов, четыре дня с плотным расписанием и долгие кулуарные разговоры ученых о том, каким путем Россия должна реанимировать науку. Конференция "Наука будущего", которая прошла в Санкт-Петербурге, собрала десятки ученых с мировым именем. Часть из них четыре года назад стали лауреатами конкурса мегагрантов, устроенных правительством России. По его условиям профессора, сумевшие доказать перспективность своих работ на мировом уровне, получили огромные для нашей страны деньги в 150 млн рублей и должны были создать на них в России действующую лабораторию, занимающуюся самыми передовыми направлениями науки. Значительная часть из них, как оказалось, связана с молекулярной биологией, медициной и биофизикой.

Запасной мозг
Современная лаборатория биоинженерии может показаться собранием декораций фантастического фильма. Тут в укромных кювезах растут человеческие органы: уши, трахеи и части гортани, ткани сердца и длинные, похожие на кусочки проволоки, сосуды. 3D-принтеры, установленные в Пристонском университете, слой за слоем печатают настоящие человеческие хрящи, используя в роли чернил гель из стволовых клеток. В лабораториях американского Института Сколка в колбах "зреют" зародыши почек и печени, а у австрийцев из Института молекулярной биотехнологии в Вене в пробирке вырос 4-миллиметровый человеческий мозг.
— Современные открытия в области биоинженерии, связанные с перепрограммированием клеток, создают абсолютно новую реальность,— рассказал "Огоньку" биофизик, профессор МФТИ Константин Агладзе, много лет проработавший в Киотском университете (Япония).— Восстановление органов, лечение на молекулярном уровне — это тренд самой продвинутой медицины, и именно на этом сейчас нужно концентрироваться. Отдельно отмечу, что подобные технологии всегда очень интересуют военных, потому как они близки идее модификации, улучшения человека. И сегодня подобные сюжеты из области фантастики уже переходят в сферу реальных возможностей.
Под руководством профессора Агладзе группа японских ученых вырастила настоящую сердечную ткань, которая умеет сокращаться как настоящая. Из нее можно делать заплатки для поврежденной мышцы сердца, а также проводить целый ряд важных опытов. В прошлом году Константин Игоревич перебрался в Россию, он возглавил лабораторию в МФТИ — здесь изучают, как можно использовать полученную ткань для устранения сердечной аритмии — смертельного врага современного человека.
Подобные работы относятся к новой отрасли — регенеративной хирургии, которая создает для пересадки как отдельные ткани, так и целые биоимплантаты. Сегодня, по данным ВОЗа, только 15-20 процентов человек дожидаются нужные для трансплантации органы. Но и те, к сожалению, зачастую вызывают массу осложнений. 2006 год стал для трансплантологов революционным: тогда ученые "заставили" стволовые клетки человека переродиться в определенный вид ткани, что породило массу фантазий о том, что теперь мы сможем почти бесконечно продлевать жизнь человека, заменяя поломанные органы и системы.
— Долгое время разговоры об излечении стволовыми клетками относились к области фольклора,— говорит Евгений Нудлер, профессор факультета биохимии и молекулярной фармакологии Медицинской школы Университета Нью-Йорка.— И только сейчас это стало похоже на осмысленный процесс. Например, сегодня можно обычные клетки кожи или волоса превратить обратно в стволовые, а потом из стволовых опять же в пробирке дифференцировать их в разные ткани. Таким образом, например, специалистам удалось не только создать определенный тип нейронов, но и доставить их в нужное место в мозге. Именно так в перспективе мы будем лечить болезнь Паркинсона или Альцгеймера. Пока это делается на экспериментальном уровне, но подобные работы имеют очень большой терапевтический потенциал.

Ремонт изнутри
Вся сложность в том, что до сих пор еще никому не удалось вырастить в пробирке целый орган из стволовых клеток — только небольшие зародыши толщиной в несколько клеточных слоев. По словам профессора Агладзе, основная проблема — в снабжении выращенного органа кровью. Ведь настоящую печень или почку пронизывают сотни кровеносных сосудов, а здесь питание получают только те клетки, которые соприкасаются с питательной средой. Во всем мире ученые творчески подходят к решению этой проблемы. Например, израильские ученые поместили выращенную из стволовых клеток сердечную ткань в брюшную полость мыши, а после того, как она проросла сосудами, пересадили в сердце. Но подобные работы пока существуют на стадии идей и первых опытов. Поэтому на практике ученые идут другим путем.
Паоло Маккиарини, профессора регенеративной хирургии Каролинского института в Стокгольме, знают во всем мире. В 2011 году он впервые в мире удачно пересадил искусственно выращенную трахею. Сейчас он провел более десяти таких операций, часть из которых — в России, в Краснодарской краевой больнице, на базе которой профессор Маккиарини создал Исследовательский и клинический центр регенеративной медицины. Для создания искусственного органа профессор сначала взял каркас трахеи (первоначально от умершего донора, а затем — созданного точно по размеру из современных наноматериалов), а затем "засеял" его стволовыми клетками, взятыми из костного мозга пациента, ожидающего пересадку.
— В течение 48 часов в специальном биореакторе, поддерживающем оптимальные условия, искусственная трубочка покрывается тонким слоем живых клеток пациента,— рассказывает Паоло Маккиарини.— Это практически сводит риск отторжения к нулю и дает новые шансы людям, которые не могут выжить без донорского органа. В дальнейшем можно будет заменять больные или просто изношенные органы новыми.
Сегодня по подобной методике ученые пытаются пищевод и сердце — полые мышечные органы, которые можно сделать на основе каркаса. Все пациенты — люди, которые в противном случае не имеют шанса выжить. Но, как признаются специалисты регенеративной медицины, к ним то и дело поступают запросы от состоятельных граждан сделать для них запасной набор органов или, например, вырастить для мужчины женскую матку.

Привлечение ума
Контекст
Как ученых с мировым именем заманивали в Россию
Первый конкурс мегагрантов был объявлен в 2010 году. Он должен был привлечь в Россию ученых с мировым именем. На конкурс подали заявки 507 ученых из 40 стран. Среди 40 победителей только пятеро постоянно живут в России. Шесть имеют гражданство Германии, трое — из Италии, по два — из США, Франции и Нидерландов, по одном — из Великобритании, Греции, Мексики, Норвегии, Швейцарии, Швеции и Японии.
Каждый из победителей получил финансирование 150 млн рублей. За два года они создали лаборатории в российских вузах.
В 2012 году провели второй конкурс на продление работы. Было подано 37 заявок, 24 из которых получили контракт. Финансирование на 2013-2014 годы было скромнее — 60 млн рублей, причем половину этой суммы обеспечивал вуз.
Из ярких личностей, которые продлили контракт еще на два года, известный немецкий физик Хорст Вольфганг Леб, создавший в Московском авиационном институте Лабораторию ионных двигателей, специалист в области суперкомпьютерных технологий Петер Слот — руководитель Лаборатории перспективных вычислительных технологий в Санкт-Петербургском университете, знаменитый ученый в области физикохимии стекла Палеари Альберто Мирия Феличе (Международная лаборатория функциональных материалов на основе стекла имени академика П.Д. Саркисова в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева) и немецкий океанограф, ведущий мировой специалист по водным массам и потокам в Северной Атлантике Колтерманн Клаус Петер (Лаборатория оценки природных рисков в МГУ).

Учитель для генов
Доктор психологии Юлия Ковас, директор Лондонского Голдсит колледжа и лаборатории когнитивных исследований и психогенетики Томского государственного университета, занимается очень модным современным направлением — психогенетикой, или, как его называют еще, поведенческой генетикой. Эта наука в числе прочего ищет связь между конкретными генами и сложными человеческими чертами и пытается применить новые знания в области образовательных программ. Именно психогенетика, возможно, ответит на вопрос, почему же гениальность не передается по наследству и как разбудить полезные для общества гены или отключить дурные.
— Сегодня психогенетика — одна из самых быстроразвивающихся наук в истории человечества,— рассказала "Огоньку" Юлия Ковас.— Открытия здесь совершаются каждый день. Показательно, что после расшифровки генома в 2003 году ученые думали, что им достаточно быстро удастся найти гены, связанные с поведением, например гены гениальности в разных сферах, что для этого достаточно сравнить геномы выдающихся музыкантов, математиков и так далее с геномами других людей. Но все оказалось намного интереснее.
Оказалось, что в проявлении всех человеческих черт, составляющих нашу личность, задействовано огромное количество генов. Поэтому не существует математических или артистических генов — они в том или ином варианте с равной долей вероятности присутствуют во всех людях. Лишь почти случайная концентрация тех или иных модификаций генов определяет как уровень одаренности, так и мотивации, усидчивости, интереса к предмету и так далее. Если бы ученые нашли способ вовремя выявить этот уникальный генетический рисунок личности, можно было бы корректировать образовательные программы. Именно подобные работы активно развиваются на Западе.
— Ясно, что эти исследования находятся в самом начале, но уже сейчас получено много очень интересных результатов,— говорит профессор Ковас.— Например, понятно, что степень влияния генов будет разной для разных черт. Так, то, что мы называем академической успеваемостью, то есть способностью ребенка к усидчивости и восприятию информации в классе на 60-70 процентов обусловлено генами. При сегодняшних унифицированных образовательных условиях это очень много. А вот другие качества, например общий интеллект, в большей степени обусловлены средой, по крайней мере в детстве. Но, что интересно, с возрастом в сфере интеллекта постепенно верх над средовыми качествами берет генетика.
Именно поэтому, утверждают специалисты, с возрастом мы, хотим того или нет, все больше становимся похожими на родителей. К тому же сегодня доказано, что в течение жизни человек интуитивно подбирает себе среду, которая усиливает, раскрывает именно его генотип. То есть гены исподволь "диктуют" нам выбор друзей, увлечений, образ жизни и так далее.
Сегодня все эти данные носят в основном собирательный характер — ученые накапливают массив знаний. Но именно они, по мнению профессора Ковас, в дальнейшем в корне изменят подход к образованию детей и, значит, всю структуру будущего общества.

Замедлитель времени
Вообще, если бы на живые организмы не воздействовала среда, они могли бы существовать почти вечно. Но стресс, в роли которого для одного человека может выступать проникающая радиация, для другого — обилие жирной пережаренной пищи, а для третьего — скандалы супруги, ломает совершенные механизмы самовосстановления организма. А именно от того, как эффективно он умеет восстанавливать поломки после стресса, зависит наша продолжительность жизни. В лаборатории молекулярных механизмов старения "Геронлаб", созданной профессором Университета Нью-Йорка Евгением Нудлером, ищут способы борьбы со старением клеток на молекулярном уровне.
— Мы занимаемся основной системой защиты от стресса наших клеток, которая назвается "heat shock response",— говорит профессор Евгений Нудлер.— В нашем организме есть специальные белки — шапероны, которые в большом количестве синтезируются в ответ на любой стресс.
Шапероны являются своего рода ремонтной бригадой, которая "чинит" испорченные стрессом белки. Если человек научится управлять этой системой, то мы получим ключ к  продлению жизни и сможем бороться с нейродегенеративными заболеваниями, и потому как большая часть из них связана с тем, что в организме неправильно сворачиваются и слипаются белки.
За последние несколько лет в лаборатории профессора Нудлера обнаружили целых два регулятора данного процесса, что впервые дает шанс для получения реального лекарства, радикально замедляющего старение. Другое дело, что путь от открытия к конкретному препарату, который можно купить в аптеке,— довольно извилист и занимает иногда пару десятков лет.

Тютелька в тютельку
Путь лекарства извилист не только до прилавка, но и сам по себе. Когда мы выпиваем таблетку, чтобы вылечить, предположим, воспаление десны, то до места назначения добирается примерно один процент полезного вещества. Лекарственным молекулам нужно проделать сложный путь, проникнув сначала в кровоток, потом в межклеточное пространство и уж затем, если повезет не столкнуться с макрофагом или белком, который склеивается с молекулой,— проникнуть в саму клетку. При этом чем крупнее частицы лекарства, тем короче и драматичнее их путь в организме — они покидают его, практически не успев подействовать.
Исходя из этого, идея создания более эффективных лекарств, которые можно было бы целенаправленно доставлять в нужное место,— давняя мечта фармакологов. Причем реальный шанс воплотиться она получила лишь недавно — с появлением нанотехнологий, позволяющих оперировать на уровне отдельных атомов. Способ новой доставки лекарств по сравнению с "классическим" можно представить на примере работы двух почтальонов. Один сбрасывает тысячи одинаковых писем в разных точках Земного шара в надежде, что хоть одно из них случайно свалится в ваш ящик, а другой едет в точно указанный на конверте адрес. В 2004 году в США впервые в мире был создан Центр нанотехнологий для доставки лекарств, директором которого стал заслуженный профессор фармацевтического факультета Северной Каролины Александр Кабанов, который знает о нанолекарствах все. Еще в 1989 году, когда самого слова "нанотехнологии" не было, он придумал, как создать мицеллы — крошечные полимерные контейнеры, внутрь которых можно было упаковывать токсичные лекарства.
— Взрывное развитие в наномедицине произошло на протяжении последних 10 лет,— рассказал "Огоньку" профессор Кабанов.— Именно 10 лет назад Национальный фонд здоровья и Национальный институт рака США начали программу по развитию раковой наномедицины. Они привлекли огромные ресурсы, объединив инженерные науки и медицину для создания нанопрепаратов. Сегодня благодаря этой программе проведено большое количество научно-исследовательских работ, которые обеспечили качественный скачок в развитии нанолекарств.
Первые прототипы препаратов подобного класса появились на рынке примерно 15 лет назад. Они представляли собой липидную молекулу, соединенную с лекарственным веществом: благодаря присутствию оболочки из липидов лекарство может долго циркулировать по организму, пока, наконец, не "зацепится" за клетки опухоли. При этом оказалось, что более эффективно работают лекарства, упакованные в контейнеры размером от 10 до 100 нанометров — так и появилось название "наномедицина". Сегодня открыты сотни препаратов на основе нанотехнологий, подавляющая часть которых, правда, еще не прошла все стадии клинических испытаний.
— Если говорить о блестящих открытиях в этом направлении,— рассказывает Александр Кабанов из Центра доставки нанолекарств,— стоит отметить совершенно потрясающую технологию, которая появилась девять лет назад благодаря профессору Джозефу Десимону из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Теперь стало возможным с помощью литографической технологии печатать наночастицы вместе с упакованным в них лекарством. Теперь вы можете делать их точно определенного размера и формы — хотите маленькие нанозвездочки, нанокрестики — все что угодно. Уточню, что точный размер и форма наночастиц чрезвычайны важны, так как от этого зависят их гидро- и аэродинамические свойства, их способность к взаимодействию с клетками-мишенями. Благодаря простоте этой технологии многие препараты из научно-исследовательских центров нашли путь в клинику.
Правда, перед учеными до сих пор стоит по-прежнему много других сложных задач. Сегодня они научились упаковывать лекарства и даже более или менее доставлять их в нужное место, но для стопроцентной эффективности этого мало.
— Пока мы не знаем, как сделать такую систему, чтобы лекарство работало по приказу,— говорит профессор Кабанов.— Представьте, мы отслеживаем, как лекарственная молекула подходит к цели, нажимаем кнопку, и только тогда она высвобождает содержимое. Учитывая высокую токсичность онкологических препаратов — это самое верное решение. К созданию такого рода технологий мы сейчас начали подходить. И на конференции "Наука в будущее" несколько докладов было именно на эту тему...
Интересно, что почти все доклады, которые представляли действительно новейшие технологии, всегда находились на стыке разных наук. И еще — почти все ведущие ученые видели реальное применение открытий, сделанных в фундаментальной науке, на практике. Именно такой навык, по-видимому, придется приобретать специалистам, настроенным заниматься наукой в будущем. Уже сегодня солидная часть проектов, занимающихся механизмами старения и лечения онкологии, финансируется сильно пожилыми частными инвесторами, надеющимся принести пользу человечеству и при жизни увидеть победу научной мысли над недугом. Так что, по-видимому, биологии и медицине предстоит развиваться все так же стремительно и в будущем тоже. Пока это получается очень даже неплохо.

Запчасти для человека

Хроника
Сегодня ученые умеют выращивать почти все существующие органы и системы живого организма. Но до реального применения многих технологий еще далеко

2003 год
Методика. Создана уникальная методика выращивания органов. В ее основе — построение искусственного клеточного каркаса, повторяющего по форме нужный орган. Белковые "скелеты" отделяют от клеток и заполняют стволовыми клетками пациента. Таким образом, новый орган выращивается с учетом организма каждого человека. 

2006 год
Мочевой пузырь. Группа ученых из Уэйк-Форестского университета Северной Каролины впервые в мире вырастила бионический орган. В качестве каркаса для органа использовался гелевый пузырь. Сейчас подобные органы успешно функционируют у десятка пациентов.

2011 год, апрель
Трахея. Впервые в мире была совершена пересадка полностью искусственно выращенного органа. Пересадку проводил профессор Каролинского университета Паоло Маккиарини. Пациентом был 36-летний африканский студент из Исландии, который страдал от рецидива рака трахеи. В роли каркаса использовалась трахея умершего донора.

2012 год, май
Ухо. Специалисты Принстонского университета впервые в мире напечатали функциональное бионического ухо на принтере. Оно не только полностью повторило человеческие способности, но и расширило их: благодаря встроенной электронике ухо может воспринимать недоступные человеку радиоволны.

2012 год, июнь
Сетчатка глаза. Ученые из японского Центра биологии развития Кобе смогли вырастить из стволовых клеток человека функционирующую сетчатку глаза с внутренними и внешними слоями. Это открытие потенциально может быть использовано для лечения крайне тяжелых болезней глаз. Однако, как признают японские специалисты, пока они лишь приблизились к практическому применению своих разработок. 

2013 год, апрель
Почка. Впервые этот орган удалось вырастить специалистам Гарвардской медицинской школы. После пересадки в организм животного почка выполняла все функции. По словам авторов работы, данная технология позволяет использовать в роли каркаса не только любые почки человека вне зависимости от их состояния, но и животного для последующей пересадки людям. По их мнению, к 2018 году пройдут первые пересадки подобных почек людям.

2014 год, февраль
Легкие. За основу органа медики из Медицинского отделения Техасского университета взяли легкие погибших в ДТП детей. Ученые обработали поврежденные органы, оставив от одного легкого лишь каркас, а клетки для регенерации взяли из другого. Новое легкое поместили в питательный раствор, в течение нескольких месяцев клетки начали размножаться, и в итоге орган достиг нормальных размеров. Выращенные легкие можно будет использовать для пересадки примерно через 12 лет.

2014 год, май
Пищевод. Создание органа было разработано группой исследователей под руководством профессора Паоло Маккиарини. Ученые создали новый орган с помощью пищевода крыс, из которого удалили все клетки, оставив лишь остов из внеклеточного матрикса. Полученный каркас засеяли стволовыми клетками. Такие пищеводы были успешно пересажены крысам, и через две недели они обросли кровеносными сосудами и нервами.

2014 год, июль
Сердце. Орган удалось вырастить из стволовых клеток сотрудникам Медицинской школы при Питсбургском университете. В ходе эксперимента ученые удалили у грызунов все клетки сердца, оставив мышечный каркас. Затем заселили его стволовыми клетками человека. Опыт на мышах прошел успешно: полученное сердце сокращалось с небольшой частотой 40-50 ударов в минуту. Этого недостаточно, чтобы перекачивать кровь, но ученые продолжают работу.

2014 год, август
Мозг. Зародыш мозга из стволовых клеток удалось вырастить сотрудникам Института молекулярных биотехнологий Австрийской академии наук. Для этого они поместили клетки зародышевой ткани мозга в капли синтетического геля, который задал естественные трехмерные условия для их дальнейшего роста и развития. Затем для насыщения растущих тканей питательными веществами и кислородом капли геля с клетками мозга поместили в биореактор. Такие выращенные в пробирке "мини-мозги" могут быть полезны в качестве модели для изучения фундаментальных процессов, лежащих в основе развития заболеваний головного мозга.

2014 год, август
Тимус. Ученые из Эдинбургского университета создали искусственный тимус, орган, который играет важную роль в правильном функционировании иммунной системы. Впервые орган из стволовых клеток удалось вырастить прямо внутри живого организма. Для этого ученые перепрограммировали клетки мышиного эмбриона в иммунные клетки, а затем ввели их в организм мыши с поврежденным тимусом.

Подготовила Елена КУДРЯВЦЕВА. «Огонек», 29 сентября 2014 года