Биополимеры для искусственных тканей и органов
В 90-х годах ученые Института биофизики СО РАН получили новый материал, его назвали «Биопластотан». Это полимер, произведенный с помощью микробиологического биосинтеза — проще говоря, продукт жизнедеятельности микроорганизмов при определённых условиях. Сегодня работа с этим материалом ведется как в расположенном в Красноярске Институте биофизики СО РАН, так и на базе СФУ.
В 2010 году в вузе стартовал мега-проект по производству и исследованиям материалов на основе полимеров микробного происхождения. Исследованием медицинских приложений в этой работе руководит доктор медицинских наук, заведующая кафедрой медицинской биологии Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ Екатерина Шишацкая.
В чем суть разработки? Эти биополимеры обладают двумя важными свойствами — они биосовместимы (то есть не отторгаются живым организмом) и биоразрушаемы (то есть, решив определенную «задачу», разрушаются без каких-либо последствий для организма и выводятся из него естественным путем). Конструкции из биополимеров представляют собой пластинки, гранулы, трубки, гибкие пленки, высокопористые нетканые матриксы из ультратонких волокон — внешне они похожи на фильтры для воздуха, которые используются в автомобилях.
Что нас спасет в XXI векеКаковы перспективы практического применения? Главным образом биополимеры востребованы в медицине, в частности, в хирургии. Один из самых простых примеров — шовные нити из полимера, которые разрушаются после того, как рана срастается. Более сложные варианты — использование биополимеров в ткано-инженерном конструировании. Что представляет собой любая живая ткань? По сути, это каркас и клетки. Биополимер как раз может быть использован в качестве каркаса (платформы) для новых клеток — как бы «подсказывать» организму, где должны расти клетки.
Это открывает большие возможности применения биополимеров для создания искусственных тканей (кожи, костей) и даже целых органов.
Как и в случае с шовными нитями, после того, как полимер выполнит свою «миссию» — послужит каркасом для образования новой ткани или органа — он разрушится. Сейчас разработки находятся на разных этапах внедрения в практику — по ряду направлений проводятся клинические испытания. В этом вопросе красноярские ученые сотрудничают как с местными, так и с федеральными и зарубежными клиническими научными центрами.
Где еще может применяться разработка? Еще одно перспективное направление — контролируемая доставка лекарств. Не секрет, что большая часть попадающих в организм лекарственных средств работает как пушка, которая бьёт по воробьям. Для нацеленного введения лекарственных препаратов можно использовать биополимерные «контейнеры». Полимерная капсула, оснащенная специальными системами распознавания, при обычном способе введения — внутримышечно или внутривенно — попадает именно в тот очаг или орган, где требуется лекарство. Затем биополимер разрушается и лекарство начинает работать. Причем процесс этот можно «настроить» — полимер будет разрушаться с заданной скоростью, чтобы человек получал оптимальные для лечения дозы лекарств.
Биополимеры могут также использоваться для производства пластиковых бутылок, банок, пакетов, плёнки. Утилизация изделий из биоразрушаемого материала в естественных условиях не нанесет вред окружающей среде.
Стволовые клетки для восстановления спинного мозга
Группа ученых под руководством доктора медицинских наук, профессора Красноярского медицинского университета Игоря Большакова работает сразу над несколькими разработками в сфере биотехнологий. Один из завершенных проектов — раневое покрытие «Коллахит». Сразу после его появления материал окрестили «искусственной кожей». В состав «Коллахита» входит коллаген — его получают из кожи крупного рогатого скота — и хитозан, один из самых распространенных биополимеров в мире. Его, в частности, синтезируют членистоногие и пчелы. «Коллахит» уже запущен в промышленное производство — сегодня он продается в более чем 20 регионах России.
Сейчас группа ученых под руководством профессора Большакова сосредоточена на исследовании в области биоинженерии — восстановление поврежденного спинного мозга с помощью биополимерных матриц.
В чем суть разработки? Ученые создали технологию тканевой инженерии спинного мозга, в которой искусственно полученные матрицы соединяются с готовыми каналами для роста нервных клеток и самими клетками, получившими программу формирования нервной ткани. Как именно это работает, можно увидеть:
Каковы перспективы практического применения? Пока технология прошла испытания только на крысах — исследования подтвердили, что вживление биополимерной матрицы в спинной мозг животного действительно позволяет вернуть конечностям чувствительность и способность к движению. Для начала клинических исследований нейрональный продукт должен пройти экспериментальную и доклиническую экспертизу на предмет эффективности и безопасности использования индуцированных стволовых клеток человека. Только в этом случае проект получит средства для дальнейшей работы — для этого требуется около 800 млн. руб.
Светящийся белок в противоопухолевой терапии
Лаборатория фотобиологии Института биофизики СО РАН является одной из ведущих в мире по исследованиям в области биолюминесценции (способности живых организмов светиться). Старт этому направлению дал красноярский академик Иосиф Гительзон.
В чем суть разработки? Красноярские ученые впервые обнаружили и клонировали гены ряда светящихся белков морских беспозвоночных и создали эффективные конструкции, позволяющие получать эти белки в неограниченных количествах с помощью бактерий и клеток насекомых.
Каковы перспективы практического применения? Биолюминесцентный (светящийся) белок может быть использован при проведении медицинских анализов — в частности в диагностике, заменяя радиоизотопную метку. Белок с помощью адресных молекул направляют в пораженные органы-мишени, а затем, вводя внутривенно субстрат для свечения, регистрируют кванты света с помощью приборов. Этот анализ позволяет с точностью до нескольких клеток проследить процесс увеличения или уменьшения опухоли. Таким образом, можно очень точно оценивать эффективность противоопухолевой терапии. Этот метод уже опробован на лабораторных животных. Также перспективно применение биолюминесцентных белков для мониторинга состояния окружающей среды.
Где еще может применяться разработка? С помощью биолюминесценции можно наглядно иллюстрировать биологические процессы — их, в буквальном смысле, видно. Это свойство белков используется в образовательных целях в университетах и школах, в том числе и в Красноярске. В перспективе светящиеся белки могут стать основой для создания биосенсора — носимого устройства размером с авторучку или спичечный коробок. Такой сенсор, к примеру, сможет определять степень утомленности организма по уровню токсинов в слюне.
Наноалмазы для медицины и экологии
Еще одно направление работы Института биофизики СО РАН — более двух десятков лет здесь изучают свойства и прорабатывают вопросы практического использования особых наноалмазов. Искусственно созданные наночастицы получают методом взрывного синтеза — отсюда и их название.
В чем суть разработки? У ученых из ИБФ СО РАН есть наноалмазы, которым они придали уникальные свойства, что открывает возможности применения таких частиц в биологических и медицинских целях. Для биологов, поясняет доктор биологических наук Владимир Бондарь, интерес, главным образом, представляют, адсорбирующие свойства этого материала — способность частиц связывать на своей поверхности самые разные вещества.
Каковы перспективы практического применения? Возможности применения наноалмазов в медицине и биологии очень широки. Так, адсорбирующие свойства этого материала могут быть использованы для выделения нужных и важных белков из сложных смесей. В перспективе это может удешевить и ускорить производство гормонов, ферментов, иммуноглобулинов. Сегодня для этого используется сложное высокотехнологичное оборудование. Наноалмазы же могут быть основой более эффективных технологий — для получения необходимых белков понадобится только центрифуга, набор пипеток и пробирки.
Где еще может применяться разработка? Способность наноалмазов связывать токсические вещества, которые входят в состав многих средств, используемых человеком в быту, на производстве и вызывающих воспалительные изменения кожи, открывает еще одну перспективу их применения в медицине — в качестве средства защиты от возникновения аллергических контактных дерматитов. Красноярские ученые из ИБФ СО РАН совместно с коллегами из Красноярского медуниверситета уже провели опыты в этом направлении: испытали суспензию наноалмазов в качестве протектора — средства защиты от воздействия химических аллергенов, вызывающих дерматит.
В качестве подопытных животных использовались морские свинки. Кожный покров части зверков обрабатывался аллергеном, на кожу другой группы сначала наносили суспензию наноалмазов, а затем аллерген. Опыты наглядно подтвердили защитный эффект наноалмазов относительно таких аллергенов как ионы никеля и кобальта.
Кроме этого, красноярские ученые сейчас активно работают над возможностью применять наноалмазы в создании новых средств диагностики для биологических и медицинских целей — мониторинга загрязнений окружающей среды и клинического анализа. Изучают также применимость наноалмазов в конструировании новых средств адресной доставки лекарств.
Микробы для сибирских фермеров
Более 15 лет в Красноярском государственном аграрном университете под руководством доктора биологических наук, профессора Сергея Хижняка идут исследования, посвященные изучению микробных сообществ карстовых пещер (подземных полостей, образовавшихся в результате растворения горных пород водой).
В чем суть разработки? Главное «ноу-хау» красноярских ученых, не имеющее пока аналогов в мире — это использование микробных сообществ карстовых пещер в качестве источника штаммов для низкотемпературных биотехнологических процессов. До этих исследований источниками подобных штаммов были Арктика, Антарктика и высокогорье. Красноярские биологи впервые показали, что подобные штаммы можно найти буквально под ногами.
Каковы перспективы практического применения? Бактерии из карстовых пещер могут быть использованы в сельском хозяйстве как средство биологической защиты растений от болезней. Биологическая защита основана на использовании бактерий и грибов, подавляющих развитие болезнетворных микроорганизмов в прикорневой зоне и на поверхности растений. Этот способ является хорошей альтернативой химическим препаратам, опасным для здоровья человека и для окружающей среды.
Дело в том, что бактерии, входящие в состав существующих биопрепаратов, малоэффективны в условиях Сибири — они не способны развиваться в условиях характерных для нашего региона низких температур весны и начала лета.
В то же время пещерные бактерии и микроскопические грибы в ходе эволюции приспособились к низким температурам (температура в пещерах зимой и летом около +4˚С), поэтому прекрасно чувствуют себя в сибирских и северных почвах.
Ученые из Красноярска на себе поставили эксперимент из блокбастераКроме этого, они могут найти применение в замкнутых системах жизнеобеспечения, предназначенных для внеземных поселений. В подобных поселениях источником пищи и кислорода для экипажа служат сельскохозяйственные растения. При этом растения в таких системах подвержены тем же заболеваниям, что и в поле на Земле, а химические средства защиты растений в замкнутой среде космического поселения применять нельзя. Наиболее безопасными для экипажа будут именно биологические средства защиты — пещерные бактерии, поскольку они не способны развиваться при температуре человеческого тела. К слову, ученые Аграрного университета совместно с коллегами из Пекинского аэрокосмического университета ведут в этом направлении научно-исследовательскую работу.
Где еще может применяться разработка? Ещё одним практическим применением пещерных микроорганизмов является биологическая очистка нефтезагрязнённых северных территорий. Целый ряд пещерных бактерий может использовать «в пищу» нефть и нефтепродукты. Причём, в отличие от уже применяемых для этой цели микроорганизмов, они хорошо работают при низкой температуре.
Штаммы карстовых пещер могут помочь и в борьбе с загрязнением в пещерах, которые в силу своей геологической истории не имеют собственных микробных сообществ. Проблема в том, что после того, как в такие пещеры попадает человек, их микроклимат меняется — в нем появляются бактерии и плесневые грибы, представляющие реальную опасность для посетителей. Предполагается, что введение в подобные пещеры карстовых микробов вытеснит опасные для человека штаммы, а также ускорит биологическое самоочищение подземной среды.
«Цифровые лекарства» от рака
На протяжении последних четырех лет в Красноярском медицинском университете активно работают над получением ДНК-аптамеров для диагностики и терапии ряда заболеваний, в основном, онкологических. В 2015 году для более эффективной работы в этом направлении была создана Лаборатория биомолекулярных и медицинских технологий, ее руководителем назначена доктор биологических наук Анна Замай.
В чем суть разработки? Аптамеры — это синтетические одноцепочечные молекулы РНК или ДНК. Они обладают уникальной способностью связываться с любыми молекулами-мишенями. В роли последних могут выступать белки, пептиды, вирусные частицы, целые клетки и даже ткани. Селекцию аптамеров для выбранной мишени осуществляют с помощью технологии SELEX из библиотеки ДНК-аптамеров, включающей в себя несколько миллиардов вариантов последовательностей олигонуклеотидов. Каждый аптамер имеет уникальный код нуклеотидов. Отсюда и их условное название — «цифровые лекарства».
Каковы перспективы практического применения? Красноярские ученые работают над созданием средств диагностики и терапии на основе аптамеров. «Цифровые лекарства» обладают высокой степенью чувствительности и селективности, а потому могут «находить» циркулирующие по кровотоку раковые клетки даже на ранних стадиях развития заболевания. Снабдив аптамер, например, флуоресцентной меткой, можно обнаружить, в какой именно части организма развивается злокачественное новообразование.
В КрасГМУ в настоящее время получены аптамеры к раку легких, раку молочной железы, глиобластоме и нескольким белкам-биомаркерам онкозаболеваний. На основе этих аптамеров разрабатываются методы диагностики и терапии этих заболеваний.
Где еще может применяться разработка? На основе аптамеров также создаются наноконструкции для адресной доставки лекарственных препаратов.
P.S. Конечно же, невозможно в одном материале рассказать обо всех проектах, ведущихся в лабораториях красноярских вузов и научных институтов. Но даже этот скромный перечень показывает, насколько интересна и перспективна для сибирской молодежи профессия биотехнолога.
Наталья Мороз, интернет-газета Newslab.ru
