Санкт-Петербург — один из крупнейших научно-образовательных центров России, в котором сосредоточено более 10% научного потенциала страны. Здесь работают более 350 научных организаций. На 32 встрече ток-шоу «Разберем на атомы» от ИЦАЭ Санкт-Петербурга про науку в городе рассказали Наталия Католикова, младший научный сотрудник Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского государственного университета, Маргарита Тюпина, научный сотрудник лаборатории теоретической химии Радиевого института имени В.Г. Хлопина и Михаил Курушкин, декан факультета биотехнологий Университета ИТМО.
Публикуем краткий пересказ выступлений спикеров.
Радиация, которая спасает жизни
Маргарита Тюпина, научный сотрудник лаборатории теоретической химии Радиевого института имени В. Г. Хлопина, рассказала о том, как появилась идея использовать радиацию в лечении онкологических заболеваний и в каких направлениях развивается ядерная медицина сейчас.
Впервые о лечебных свойствах радия задумалась еще сама Мария Склодовская-Кюри. Уже в 1922 она основала в Париже первый радиевый институт — сейчас он называется Институтом Кюри. Через десять лет и за два года до своей смерти в 1934 она основала Институт Радия на своей родине — в Варшаве. Впоследствии он превратился в институт онкологии, и теперь тоже носит ее имя.
Вообще толчком для развития этого направления медицины стало открытие метода радиоактивных меток — его сделали венгерский химик Дьёрдь де Хевеши и немецкий ученый Фридрих Панет в 1913 году. Суть метода заключалась в том, чтобы к стабильному химическому элементу присоединить радиоактивный — который легко измерить и отследить. Именно на такой технологии и базируется современная высокотехнологичная медицина.
Разные изотопы вещества, по сути, — это одни и те же элементы, просто с разной молярной массой (это обусловлено разным количеством нейтронов в атоме). Сейчас науке известно почти три тысячи изотопов, из которых стабильными являются только 10%.
Изотоп нельзя просто поместить внутрь тела — сначала их нужно привести в необходимый вид и запаковать в так называемый фармпрепарат. Фармпрепараты состоят из двух частей: собственно радионуклида и направляющего вещества.
В ядерной медицине есть три развивающихся направления: диагностика, лечение и недавно появившаяся тераностика. Основные методы диагностики — это радиоиммунный анализ invitro (при котором анализируется образец крови) и in vivo, когда препарат вводят прямо в организм человека — это позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ). В ПЭТ используют бета положительные изотопы, которые испускают несколько гамма-квантов с маленьким периодом полураспада. ОФЭКТ является более распространенной технологией — в ней применяются радиофармпрепараты, которые при распаде испускают только один гамма-квант. Чаще всего используют весьма популярный сейчас препарат технеций — он позволяет исследовать практически все органы.
Методы лечения можно разделить на два типа: это брахитерапия, когда препарат вводится непосредственно в пораженный опухолью орган, и лучевая терапия, когда человека размещают рядом с изотопом, и он «светит» в опухоль.
Новейшее веяние начала 21 века — это тераностика, которая объединяет в себе и диагностику, и терапию, и предлагает более эффективный, персонализированный метод лечения. Единственный изотоп, который сейчас находится в доклинической стадии для этого направления, это йод-131, который обнаруживает клетки в кровеносной системе и тут же их убивает.
Основных центров исследований в области ядерной медицины в России всего пять: в Курчатовском Институте и Институте экспериментальной физики в Москве, в Институте физики высоких энергий в Протвино, Петербургском институте ядерной физики в Гатчине и в Радиевом институте имени Хлопина в Санкт-Петербурге. При этом Россия входит в число пяти крупнейших производителей сырьевых медицинских изотопов в мире.
Радиевый институт имени Хлопина производит шесть фармпрепаратов, которые покрывают 95% всей необходимости города. Также активно ведутся исследовательские работы: уже в конце 2021 года начнутся клинические испытания препарата — аналога немецкого Xofigo (дихлорид радия-223), который используется для лечения метастатических поражений скелета. Стоимость одной дозы Xofigo составляет порядка полутора миллионов рублей. Всего же для удаления метастаз из скелета нужно около трех доз. В радиевом институте удалось разработать новую процедуру получения дихлорида радия, что позволяет снизить его стоимость в пять раз. Первые поставки фармперепарата должны начаться в 2024 году. Также в Лаборатории химии актиноидов разрабатывают новые варианты с изотопом технецием: пентакарбонилиодидтехнеция-99m для диагностики перфузии и вентиляции легких и карбонилтехнеция-99m с жирной кислотой для диагностики метаболических процессов в миокарде.
Первый проект гражданской науки в Университете ИТМО
Декан факультета биотехнологий Университета ИТМО Михаил Курушкин рассказал о проекте «Интернет бактерий», который реализуется международным научным центром SCAMT и Кубанским государственным университетом.
Проект «Интернет бактерий» посвящен исследованию микробных топливных элементов, в которых в качестве электролита выступает грязь или почва. Для его реализации необходимо собрать как можно больше данных о бактериях — продуцентах электроэнергии, а также о почвах, в которых они обитают. Гипотеза, лежащая в основе этого исследования, как раз из таких, проверить которую возможно только с помощью привлечения как можно более широкой аудитории — средствами гражданской науки.
Дело в том, что науке известна лишь малая часть существующих в мире микроорганизмов. Исследовательскую группу проекта интересуют те виды бактерий, которые обладают свойствами высокой электроактивности — чтобы затем описать их, выявить механизм электроактивности и в дальнейшем использовать для геномных исследований.
Проект был запущен в мае 2020 года, активная фаза началась в конце ноября — тогда было отправлено сто топливных элементов в 17 биокванториумов в городах европейской части России. В этих наборах сразу четыре микробные банки: с железистой почвой с высокой проводимостью как образец того, что надо искать, с торфогрунтом из обычного магазина для сравнения. Также в наборе — плата с микроконтроллером, которая позволяет подключиться к облачному серверу, и аналого-цифровой преобразователь.
Стоит отметить, что ключевыми фигурами в этом проекте являются студенты: Андрей Лазукин, магистрант КубГУ, является ведущим инженером проекта, а Дарья Минакова, студентка третьего курса факультета биотехнологий, выступает главным куратором.
Как стволовые клетки помогают победить болезнь Паркинсона
Младший научный сотрудник Лаборатории нейробиологии и молекулярной фармакологии Института трансляционной биомедицины СПбГУ Наталия Католикова рассказала о том, как ученые научились создавать искусственные стволовые клетки, и как это может помочь в борьбе с нейродегенеративными заболеваниями, в частности, болезнью Паркинсона.
Мы сейчас живем в эру стремительно развивающейся медицины: мы узнаем все больше о болезнях, их течении, изобретаем новые способы лечения самых разных заболеваний. Мы научились продлевать жизнь, но столкнулись с другой проблемой — распространением возрастных заболеваний, в частности, нейродегенеративных. Наиболее известными являются болезни Паркинсона и Альцгеймера. К сожалению, частота этих заболеваний растет, и от них не застрахован никто — даже такие известные личности, как Мухаммед Али, Майкл Джей Фокс и Маргарет Тэтчер. Мы почти ничего не знаем о причинах развития этих болезней, плохо понимаем, почему они происходят, и совсем не умеем их лечить.
При болезни Паркинсона происходит гибель конкретного типа нейронов — дофаминергических, — в одном конкретном месте — черной субстанции среднего мозга. Из-за этого очень сильно сокращается выработка дофамина, а ведь это важнейший медиатор, участвующий в регуляции огромного количества процессов в организме — в частности, моторных функций. Именно поэтому болезнь Паркинсона имеет такие яркие клинические проявления.
На данный момент лечение этой болезни — чисто симптоматическое. Обычно это препараты, содержащие предшественники дофамина, либо сам дофамин, который действует на рецепторы и заставляет человека чувствовать себя лучше на короткое время. Но такое лечение не борется с самой причиной заболевания, которое продолжает постепенно прогрессировать. В целом этот цикл — от начала терапии до полной инвалидизации — занимает пять-шесть лет.
В определенный момент у ученых появилась мысль: почему бы не взять здоровые нейроны и подсадить на место погибших? Первый раз такой эксперимент провели шведские специалисты в начале 70-х годов — они пересадили нескольким пациентам клетки эмбрионов. Это позволило полностью убрать симптоматику и избавить больных от необходимости принимать лекарства в течение пяти лет. При этом ученые наблюдали пациентов в течение всей их жизни, и смогли открыть, что пересаженные нейроны точно так же подвергаются деградации со временем. Но учитывая, что болезнь характерна больше для пожилых людей, пять-шесть лет комфортной жизни без симптомов и необходимости принимать лекарства имеют для них огромное значение.
Главная проблема этого метода состоит в том, что найти источник клеток для трансплантации в данный момент невозможно. Конечно, можно взять клетки свиньи — они очень похожи на наши, но все-таки функционируют совсем по-другому. Можно взять клетки здорового человека — но где взять доноров? Пересаживать нейроны человеческого эмбриона сейчас невозможно — в большинстве стран это запрещено на законодательном уровне и считается неэтичным.
Единственный рабочий вариант — это использовать стволовые клетки. Замечательность этих клеток в том, что они могут неограниченно делиться, и из них можно получить любую ткань и вырастить любой орган. Но с тех пор, как они были открыты в 1998 году, общественное отношение к таким экспериментам очень сильно изменилось. Сейчас в США появились законы, которые запрещают получать новые линии стволовых клеток — это сильно осложнило работу ученых и заставило их свернуть многие направления исследований.
Все изменилось в 2006 году, когда Синья Яманака из Университета Киото открыл возможность искусственно вернуть уже дифференцированную клетку в состояние, характерное для стволовых. Он назвал это индуцированной плюрипотентной стволовой клеткой — уже в 2012 году он получил за это открытие Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Сначала Яманака проводил эксперименты с клетками сетчатки — они лучше всего приживаются при пересадке, поэтому их проще всего использовать в клинических испытаниях. Очень быстро стало понятно, что новая технология имеет огромный потенциал в лечении нейродегенеративных заболеваний, а именно болезни Паркинсона. Сейчас такие исследования проводят несколько исследовательских групп — в Японии и Америке уже начались клинические испытания в 2018 и 2020, а в Англии и Швеции они начнутся в ближайшее время.
В России пока что такие исследования не проводятся. В Институте трансляционной медицины умеют работать с индуцированными плюрипотентными стволовой клеткой и получать из них дофаминергические нейроны, которые можно подсаживать животным. Похожие исследования ведутся в самом большом спектре направлений: лечении патологий сердца, дегенеративных заболеваний суставов, поджелудочной железы и сахарного диабета.
Полное видео можно посмотреть по ссылке.
