Важнейшие открытия
В 20 веке произошли три важнейших в истории человечества открытия. Первое, сделанное Ильей Мечниковым и Паулем Эрлихом независимо друг от друга в 1908 году, положило начало всей современной иммунологии. Второе — открытие антибиотиков, в частности, пенициллина, Александром Флемингом в 1929 году. И третье, одно из важнейших в современной науке, это расшифровка структуры ДНК Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, при участии Розалинд Франклин в 1953.
Все они за свои получили Нобелевские премии, кроме Розалинд Франклин, которая, к сожалению, умерла раньше присуждения награды. Поэтому ее часто забывают, хотя она, будучи специалистом по рентгеноструктурному анализу, внесла огромнейший вклад в расшифровку снимков ДНК.
Зарождение иммунологии
В 1908 году Илья Мечников — русский микробиолог, цитолог, эмбриолог, иммунолог, физиолог и патолог — получил Нобелевскую премию за свою фагоцитарную теорию иммунитета. Работая с личинками морской звезды, он смог наблюдать явление, которое позже было названо фагоцитозом: вокруг инородного тела, например, занозы, собирались какие-то внутриклеточные структуры, которые начинали эту занозу уничтожать. Так как личинки морской звезды абсолютно прозрачные, явление было очень хорошо видно.
Мечников понял, что такой же механизм действует во всех живых организмах, в том числе в человеческом теле, и является частью иммунной системы. Он также выдвинул теорию, что фагоциты играют ключевую роль в таких процессах, как атрофия, метаморфоз, репарация, регенерация, воспаление и инфекция. Возникновение же болезней он объяснял сбоем механизмов клеточной защиты. Интересно, что современные иммунологи доказали это лишь в конце 20 века при изучении явления иммунодефицита, возникающего под действием ВИЧ.
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1908 года с Мечниковым разделил Пауль Эрлих. Они работали совершенно независимо и подходили к вопросу иммунитета с разных сторон. Пауль Эрлих изучал гуморальный иммунитет и белковые комплексы, которые вырабатываются некоторыми клетками. Сейчас ученые знают, что это B-лимфоциты, способные вырабатывать антитела для инактивации патогенных организмов.
В 2018 году Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё смогли дополнить теорию иммунитета и разработать на ее основе кардинально новый способ терапии рака. Дело в том, что в нашем организме очень многое построено на системе сдерживания. Клетки лимфатической системы, которые отвечают за обнаружение и уничтожение врага — вируса, бактерии, чужеродного белка, любого патогенна — называются Т-киллерами. Обычно их действие ограничивается самим организмом, иначе Т-киллеры нападали бы на все подряд, в том числе на собственные клетки тела — это является причиной всех аутоиммунных заболеваний вроде диабета первого типа, ревматоидного артрита, рассеянного склероза и т.д.
Ученые смогли найти те системы сдерживания, которые не дают Т-киллерам действовать во всю мощь — это открыло возможности для управления этим механизмом и активации Т-киллеров для борьбы с раковыми клетками. Сейчас уже есть первые результаты лечения рака методом иммунотерапии ― ее используют и на тяжелых стадиях, когда другие способы уже не действуют.
Как победа над инфекциями привела к распространению рака
До появления микробиологии люди чаще всего умирали от инфекционных заболеваний, но не знали их причину. Началом бактериологии считается статья Фердинанда Кона «Исследование бактерий», но отцом-основателем инфекционной теории возникновения болезней считается Роберт Кох. Именно он открыл возбудителя туберкулеза или, как называли ее в 19 веке, чахотки — одной из главных причин смерти в те времена (так, примерно каждый седьмой немец умирал именно от туберкулеза). Также он подробно исследовал и описал бациллу сибирской язвы и ее роль в развитии заболевания.
Открытие Коха стало поворотным событием в медицине и диагностике болезней. Более значимым стало только изобретение пенициллина Александром Флемингом в 1929 году — оно спасло неисчислимое количество человеческих жизней, в том числе во время Второй мировой войны. Пенициллин стал использоваться в лечении всех бактериальных инфекций: пневмонии, стафилококка, стрептококка, дифтерии, а в дальнейшем — туберкулеза, сифилиса, гангрены.
Интересно, что произошло это открытие практически случайно: грибковая плесень пенициллина попала на колонии стрептококков, которые выращивал ученый — из-за того, что он не всегда стерилизовал свои лабораторные приборы (и даже иногда их вовсе не мыл).
Благодаря изобретению антибиотиков жизнь людей увеличилась примерно на 30 лет. Но из-за этого стали более распространенными, во-первых, раковые болезни, а во-вторых, болезни, связанные со старением: атеросклероз и сердечно-сосудистые заболевания, деменция (болезнь Альцгеймера), диабет и так далее. Победить их, в первую очередь, рак — является важнейшей задачей современной медицины.
Как открытие ДНК помогает в изобретении вакцины от коронавируса
Еще одним основополагающим, даже, можно сказать, центральным, открытием 20 века стала расшифровка структуры ДНК, выполненная в 1953 году Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, при участии Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса. Все они, кроме Розалинд Франклин, получили Нобелевскую премию 1962 года.
Открытие ДНК не только стало ключом к разгадке самой основы жизни, но и помогло совершить гигантский прорыв в медицине: как в диагностике болезней, так и в их лечении. Было выявлено множество генетически обусловленных болезней — и, соответственно, способов их лечить с помощью генной инженерии. Например, больших успехов удалось добиться в лечении серповидно-клеточной анемии. Раньше она лечилась только пересаживанием костного мозга от доноров, сейчас же ученые научились с помощью генной инженерии вырезать участок дефектного гена и заменять его другим. Такой метод помогает излечить болезнь в 90% случаев.
Секвенирование генома и его редактирование делает возможным создание эффективных вакцин как от старых, так и от вновь возникающих вирусов. Если раньше такие вакцины разрабатывались минимум десять лет, то сейчас процесс максимально ускорился. Например, вакцина от Эболы была создана за рекордные пять лет, а вакцина от коронавируса была разработана менее чем за год.
В настоящее время существуют три стратегии разработки. Векторные вакцины получаются путем встраивания в цепочку уже существующих вирусов участка SARS-CoV-2 — такой метод крайне эффективен, но, к сожалению, весьма небезопасен, и поэтому запрещен к использованию. Второй способ производства вакцин — самый перспективный и потому наиболее активно развивающийся — это создание вакцин на основе матричной РНК.
РНК-вакцины работают путем введения последовательности мРНК, которая кодирует специфический для заболевания антиген для запуска иммунной системы организма. Она является более безопасной для человека, а еще дешевой и быстрой в производстве.
Третий вид — белковые вакцины, представляющие собой готовую смесь антигенов, — вызывают мгновенный иммунный ответ организма. Но проблема в том, что получить нужное количество белков-антигенов слишком дорого для массовой вакцинации, к тому же, такая вакцина не гарантирует формирования долгосрочного иммунитета.
В будущем нас ждет еще множество медицинских открытий, связанных с таргетной доставкой лекарств, векторной терапией и генной инженерией — именно с этими направлениями связаны надежды человечества на избавление от рака, генетических, аутоиммунных заболеваний, а возможно, и с победой над главным врагом — старением и увяданием.
Полное видео лекции можно посмотреть в группе издательства «Альпина нон-фикшн» в Facebook.
