Этому умению клеток спешить на помощь к «месту аварии» специалисты дали название homing (от английского слова home – дом). К сожалению, пока специалисты не научились посылать клетки точно в цель, как посылку по адресу. Возможно, те случаи, когда клеточная терапия не оказывает ожидаемого лечебного действия, объясняются тем, что клетки по какой-то причине осели в другом месте, не сумели адаптироваться и начать действовать. Интересно, что даже в случае гибели клеток содержащиеся в них биологически активные вещества могут оказывать благоприятное воздействие на окружающие их ткани больного организма
Как же организм зовет стволовые клетки на помощь? Гипотез немало. По одной из них в очаге поражения появляются некие вещества, которые «призывают» на помощь клетки именно той разновидности, которые нужны для восстановления пораженной ткани. Ученые Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ уже научились превращать безликие стволовые клетки в нейроподобные для лечения инсультов. Разработана методика преобразования стволовых клеток в кардиомиоциты – для лечения сердца. В то же время известны факты, когда больным при инфаркте миокарда вводили просто стволовые клетки – и они помогали сердцу выздоравливать. В этой области медицины есть еще немало вопросов, на которые, как мы надеемся, помогут ответить нанотехнологии. Здесь еще непочатое поле деятельности.
Да и сами нанотехнологии, с которыми связывают свои надежды биологи и медики, тоже во многом terra incognita. Например, в интернет-энциклопедии «Википедия», во всяком случае в ее русскоязычном варианте, еще нет статьи о нанолюминофорах. Что же это такое?
– Те же люминофоры, то есть вещества, обладающие способностью излучать свет определенной длины волны после возбуждения, например, после воздействия ультрафиолетовым светом, электрическим разрядом или электронным пучком. Но только карликовых размеров, – говорит профессор, доктор наук, заведующий отделом нанодисперсных материалов НТК «Институт монокристаллов» Юрий Малюкин. – «Нано» – греческое слово, как раз и означающее «карлик». Это частички величиной всего пять нанометров, то есть миллиардных долей метра. Для сравнения, размер атомов или простейших молекул составляет около 0,1 нанометра, а биологической клетки – 20 тысяч нанометров
Раздробить исходный материал до таких пылинок – при обычном освещении они выглядят, как мельчайшая белая пудра, – с помощью механических мельниц невозможно. К тому же нанолюминофоры должны быть строго определенного размера и обладать заданными свойствами. Ученые НТК «Институт монокристаллов» НАНУ разработали тонкие химические технологии получения органических и неорганических нанолюминофоров. В основе этих технологий лежит эффект самоорганизации молекул. Производятся люминесцентные наночастицы, – а это могут быть кристаллы, полимерные сферы, цилиндры или трубки, – в небольших объемах. В граммах, а то и в миллиграммах.
Из всех известных наноматериалов нанолюминофоры занимают достаточно узкую нишу. Однако способность к люминесценции и взаимодействию с такими биологическими системами, как клетка, ее отдельные структуры, ДНК и РНК, делает их важным инструментом исследования в микробиологии и медицине.
Сейчас харьковчане сотрудничают также с учеными Института молекулярной биологии и генетики НАНУ и Киевского национального университета им. Шевченко в области исследований взаимодействия нанолюминофоров с ДНК и РНК. Активно намечают пути взаимодействия со специалистами Института экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии НАНУ, Института нейрохирургии АМН, Института травматологии и ортопедии АМН. Кстати сказать, еще в 1998 году журнал Science прогнозировал, что первые практические применения нанотехнология найдет именно в биологии и медицине.
Нужно заметить, что специалисты Института проблем криобиологии и криомедицины и раньше использовали метки для клеток, но это были не нанолюминофоры. В экспериментах клетки брали у донора одного пола, вводили реципиенту другого пола и прослеживали их судьбу по половым хромосомам, разным у мужчин (ХY) и женщин (XX). Или же лабораторному животному вводили человеческие клетки – это называется ксенотрансплантация. Кстати сказать, самое близкое биологически человеку животное – это свинья, символ этого года.
И все же именно светящиеся наночастицы впервые дали биологам возможность получить наглядную картину миграции клеток и их функционирования при введении в живой организм. Так, сотрудница ИПКиК НАНУ Елена Гончарук наносила лабораторным животным на места травм и ожогов особый гель – он состоял из клеток с люминофорами не снаружи, а внутри. По свечению таких внутренних меток, прикрепленных непосредственно на митохондрии, можно было наблюдать за поведением клеток в процессе их жизнедеятельности, например, во время деления. Интереснейшие результаты ученые получили и в других опытах с мечеными клетками – при патологии сетчатки глазного яблока, при ожогах кожи и травматических поражениях суставов.
– Стволовые клетки – это своего рода золотой запас, которым снабдила нас природа, – рассказывает директор Института проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, академик НАН Украины Валентин Иванович Грищенко. – С возрастом он постепенно истощается, поскольку тратится на восстановление клеточных элементов, которые гибнут в течение жизни в связи c износом, болезнями, травмами и так далее. Вот почему и возникла идея по мере необходимости пополнять этот запас извне, использовать стволовые клетки для лечения и омоложения. Она как раз и лежит в основе клеточно-тканевой терапии, которая стала одним из наиболее перспективных методов и направлений медицины будущего.
К процессу активных исследований этого направления примыкает все большее число специализированных научных центров как в Украине, так и во всем мире. На эти цели в развитых странах выделяются огромные финансовые средства – и государственные, и частные. Например, недавно страны ЕС решили продолжить финансировать изучение стволовых клеток, взятых из человеческих эмбрионов. Европейские ученые убедили политиков, что эти исследования – ключ в поиске лекарств против многих болезней, в том числе Альцгеймера и Паркинсона. В результате Брюссель выделил солидное финансирование на пятилетку вперед – на 2007-2013 годы.
В мире идет напряженная конкурентная борьба, что, кстати, видно и по упорным попыткам дискредитировать работу ученых Харькова с помощью всякого рода скандалов и «страшилок», которые, к сожалению, подхватываются отечественными СМИ. Идет манипуляция общественным сознанием за счет неосведомленности, а зачастую и невежества обывателя. Что и не удивительно – те страны, которые в числе первых начнут использовать стволовые клетки в клинической практике, станут лидерами в профилактике и лечении наследственных и приобретенных заболеваний. А значит, смогут значительно увеличить продолжительность активного периода жизни своих соотечественников, выпустить соответствующие препараты на международный рынок.
Пока в этой конкуренции Украина имеет существенные преимущества перед западными странами благодаря наработкам Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ. Эти преимущества нужно сохранить и приумножить.
– Общая тенденция развития материаловедения за последнее столетие направлена на переход от создания массивных материалов, работающих на макроуровне, к миниатюрным материалам, действующим на уровне отдельных молекул и наноструктур, – комментирует результаты общей работы академик Владимир Семиноженко. – Именно из таких «материалов» состоят живые организмы. Поэтому вполне логично, что новые нано– и молекулярные материалы находят применение в первую очередь в биологии и медицине. Так, в НТК «Институт монокристаллов» НАНУ работают всемирно известные научные коллективы, специалисты которых разрабатывают материалы, способные работать даже на уровне отдельных компонентов клеток и отдельных биомолекул. В то же время Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ имеет громадный опыт в области изучения и использования клеток и тканей.
Результаты уникальных экспериментов, которые открывают новую главу в исследовании биологии тканевых и клеточных биоматериалов, были представлены на научной конференции «Актуальные вопросы бионанотехнологий» Северо-Восточного научного центра НАНУ. Эти эксперименты можно было задумать, поставить и проанализировать только в содружестве ученых разных специальностей. Помимо специалистов из Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ, это биологи Юрий Микулинский и Елена Щегельская из диагностической лаборатории «Вирола», нейрохирург Владимир Пятикоп из Харьковского медицинского университета, офтальмолог Юрий Демин из Медицинской академии последипломного образования, физик Юрий Малюкин и химик Игорь Боровой из НТК «Институт монокристаллов».
Примечательно, что эта конференция была проведена под сопредседательством двух академиков НАНУ – физика Владимира Семиноженко и медика Валентина Грищенко.
– За последние годы медико-биологическое материаловедение стало одним из главных направлений работы нашего института, – подчеркнул Владимир Семиноженко. – Это гамма-томография, сапфировые имплантаты и хирургический инструментарий. Специалисты исследуют также структуру компонентов нуклеиновых кислот, способности некоторых высокомолекулярных соединений доставлять лекарства в заданные места организма, разрабатывают методы иммунноферментного анализа и тест-систем на различные заболевания
Вырастить органы из клеток
Стволовые клетки, которые лежат в основе клеточной и тканевой терапии, являются своего рода строительными базовыми единицами организма, способными трансформироваться в разные виды клеток. И содержатся в тканях и органах любого человека, однако в разных количествах: у молодых их много, а у людей преклонных лет – мало. Ученых привлекает «умение» стволовых клеток находить в организме очаг болезни и восстанавливать пораженное место. Однако жизнь клеток вне организма коротка. Поэтому, несмотря на то что они были обнаружены русским ученым Максимовым еще в начале прошлого века, условия для их изучения и использования появились значительно позже – когда ученые придумали, как стволовые клетки замораживать, а потом при необходимости оттаивать, чтобы они остались живыми и здоровыми
Одним из мировых лидеров в этой области науки является Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ в Харькове, при котором создан Низкотемпературный банк биологических объектов, признанный национальным достоянием Украины. Здесь в условиях глубокого холода хранятся тысячи препаратов тканей и клеток, на основе которых разработаны методы клеточно-тканевой терапии в схемах лечения ряда тяжелых заболеваний. Ученые надеются также, что в ближайшем будущем на основе стволовых клеток будут созданы полноценные органы и ткани, необходимые больным для трансплантации.
Мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий составляют десятки миллиардов долларов. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США
Существует ли риск при применении нанотехнологий?
На слушаниях в комитете по науке Палаты представителей Конгресса США главы экологических движений и промышленных корпораций заявили, что расходы на выяснение экологических и медицинских аспектов применения наноматериалов должны составлять 10-20 % всех затрат на нанотехнологии.
Дело в том, что миниатюрные наночастицы могут легко проникнуть в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считаются одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего. Однако до сих пор сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются скудными.
Агентство по охране окружающей среды США опубликовало предварительный вариант Белой книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ее авторы настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с наночастичным загрязнением среды обитания. Ведь нанотехнологии являются «новой реальностью», которая пока не поддается законодательному регулированию.
Читайте также:
