Выступления на «Ночи науки» и Science Slam стали для тебя первым опытом в области популяризации научных достижений. Как было принято решение участвовать в этих мероприятиях?
В аспирантском кругу есть те, кто регулярно принимает участие в таких мероприятиях. Мы с коллегами самостоятельно изъявили желание выступить с докладами, взяли контакты организаторов, рассказали, чем занимаемся, и предложили несколько вариантов докладов. Представители издания «Бумага»* решили, что в рамках «Ночи науки» слушателям интереснее будет узнать про антибактериальные структуры, про то, зачем они нужны и как помогут обществу не умереть от бактериальных инфекций. Работа над антибактериальными структурами – тема моей кандидатской диссертации. Я формирую антибактериальные структуры из отдельных компонентов, которые синтезируются у нас в лаборатории, исследую их физические свойства, насколько эффективно данные структуры способны генерировать активные формы кислорода, изучаю, как они взаимодействуют с бактериями.
На Science Slam я участвовала совершенно с другим докладом и рассказывала про инициативу ЕС по созданию цифровых двойников. Это большой проект, который участвует в конкурсе на поддержку от Европейской комиссии. В консорциуме разработчиков – более 200 участников из 32 стран, которые совместными усилиями работают над созданием огромной базы медицинских данных о каждом жителе Евросоюза. Благодаря машинному обучению удастся не только предсказывать и лучше диагностировать болезни, но и эффективнее создавать новые лекарства. Ожидается, что проект поможет спасти многие жизни, а также существенно сократить финансовые потери в системе здравоохранения. Один из блоков проекта называется «Наномедицина», его цель – поиск новых лекарств на основе наноструктурированных материалов, которые помогут значительно снизить побочные эффекты терапии и повысить ее эффективность. В лаборатории «Гибридные наноструктуры для биомедицины» мы разрабатываем различные системы на основе наноматериалов, которые могут применяться для тераностики онкологических заболеваний и бактериальных инфекций. В большом проекте я отвечаю за разработку новых систем для антибактериальной терапии, что входит в задачи, которые планируется решать участникам блока «Наномедицина» в инициативе по созданию цифрового двойника. На Science Slam я рассказала про проект в целом. Надо заметить, Science Slam проходил в рамках Петербургского международного онкологического форума «Белые ночи». Так как мы занимаемся разработкой систем для тераностики онкозаболеваний, нам показалось более актуальным раскрыть эту тему там.
Какие сегодня есть проблемы с бактериальными заболеваниями? Разве человек не научился с ними бороться?
Сегодня существует несколько типов основных социально значимых заболеваний. Как правило, к их числу относят сердечно-сосудистые, онкологические заболевания и бактериальные инфекции. Много внимания уделяется лечению онкологических заболеваний: мы видим социальную рекламу, усиленно ищем лекарства от рака. Также общество обращает внимание на сердечно-сосудистые заболевания. Пару лет назад были очень популярны способы определения таких болезней по симптомам, которые может заметить любой человек. В случае с бактериальными инфекциями у человечества сложилось устойчивое мнение, что люди нашли лекарство – антибиотики, которые всегда помогают. Сейчас мы вступаем в такое время, когда антибиотики перестают помогать, причина – устойчивость к антибиотикам. Появляется все больше бактерий, которые устойчивы сразу к нескольким видам антибиотиков.
Откуда появляется устойчивость к антибиотикам у большого количества людей?
Зачастую люди сами виноваты, потому что принимают антибиотики бездумно – в качестве профилактики, или же медикаменты неправильно назначают врачи. Многие также лечат детей, у которых не сформировался иммунитет, антибиотиками при первых симптомах простуды. Большинство людей не знают, что проблема устойчивости к антибиотикам представляет серьезную угрозу для организма. Люди привыкли думать, что пневмония не может никого убить, мы же не в Средние века живем, когда крыса могла стать причиной смерти половины города. Сегодня можно заметить пропаганду правильного употребления антибиотиков, и это неслучайно.
Насколько серьезно на эту проблему обращает внимание профессиональное сообщество?
В прошлом году Всемирная организация здравоохранения впервые выпустила список из 12 патогенных бактерий, которые угрожают здоровью человека. Бактерии разделены на три степени опасности, все они устойчивы сразу к нескольким видам антибиотиков уже прямо сейчас. Так, золотистый стафилококк, который окружает нас везде, и треть из нас – его носители, устойчив к семи видам антибиотиков сразу, причем его устойчивость проявляется по отношению ко всем новым антибиотикам, которыми его стараются уничтожить. Для проявления устойчивости к антибиотику этой бактерии нужно лишь четыре года. На каждый новый антибиотик бактерия вырабатывает новую устойчивость.
Если мы не хотим вернуться к ситуации, когда человек страдает от эпидемий бактериальных болезней, что нужно сделать?
Нужно изобрести альтернативу антибиотикам. Мы занимаемся на кафедре разработкой новых антибактериальных систем на основе наночастиц оксидов металлов, в частности, я занимаюсь диоксидом титана, наночастицы которого генерируют активные формы кислорода и способны разрушать ДНК бактерий. К такому механическому уничтожению бактерия не сможет адаптироваться.
Оксиды металла используются в различных мазях, например, в цинковой мази или в мазях против ветрянки. Другими словами, человечество давно знает о наночастицах оксида металлов и использует их с давних времен. Однако в случае с диоксидом титана, как и с многими другими оксидами металлов существует некоторая особенность: генерация активных форм кислорода происходит только под действием излучения и диоксид титана поглощает только ультрафиолетовое излучение, которое по своим свойствам не очень полезно для организма человека, так как обладает стерилизующими свойствами и уничтожает здоровые клетки в том числе. Моя задача – создать систему, которая бы динамично генерировала активные формы кислорода под действием видимого излучения, безопасного для организма человека. Для достижения этой цели мы используем полупроводниковые квантовые точки, которые синтезируются у нас в лаборатории (мы можем синтезировать достаточно широкий спектр квантовых точек, отличающихся и химическим составом, и размером). Данные квантовые точки эффективно поглощают видимое излучение, после чего происходит перенос электрона от квантовой точки к наночастице диоксида титана, которая генерирует активный формы кислорода, способные уничтожить бактерию.
Как может выглядеть конечный продукт, созданный с использованием разработанных структур?
Сейчас мы работаем над созданием покрытий, которые за достаточно короткое время убивают порядка 60 % бактерий, которые мы на них высаживаем. Такое покрытие можно будет наносить на стены. Например, золотистый стафилококк является штаммом госпитальных бактерий, он очень распространен в поликлиниках и родильных домах, где половина персонала является его носителями. По правилам раз в пять лет роддом надо закрывать и открывать новый, но с экономической точки зрения это невозможно. Сегодня раз в пять лет роддомы закрывают на мойку, однако было бы здорово покрыть стены здания краской со стерилизующими частицами, которые за ночь самоочистились бы, уничтожив бактерии.
Разновидностей конечного продукта несколько. Это может быть краска, покрытие, условный пластырь, который можно нанести на рану, а он будет взаимодействовать с ней. Также можно вводить частицы внутривенно. Сейчас мы работаем над созданием системы, в которой квантовая точка будет ядром, а сверху она будет покрыта оболочкой диоксида титана. Частицы в таком случае будут маленькими, и их можно будет вводить в систему кровотока. Однако в этом направлении еще предстоит решить ряд ключевых вопросов, таких как биосовместимость, стабильность физико-химических свойств, пути биодеградации и выведения из организма, которые являются общими не только в отношении наноструктурированных материалов, но также и органических соединений при их взаимодействии с живыми системами. Поэтому нам предстоит пройти долгий путь до того момента, как будет создана система, которая сможет использоваться в клинической практике в качестве антибактериальных лекарственных препаратов.
Сегодня многие научные группы в мире занимаются созданием антибактериальных структур? Многие движутся в том же направлении, что и вы?
Антибактериальные покрытия создаются достаточно активно. Если мы говорим про диоксид титана, то его применяют в пищевой промышленности – делают покрытия для листьев салата, есть также эксперименты с самими бактериями. При работе над проектом мы как физики столкнулись с определенными проблемами, например, с неполным представлением о том, как работают бактерии. Это является общей проблемой, когда приходится решать междисциплинарные задачи. Поэтому, осознав на собственном примере недостаток образования в таких областях, как химия, биология, физиология, в этом учебном году мы открываем новую специализацию в бакалавриате «Гибридные структуры для биомедицины», в рамках которой студенты смогут прослушать курсы по данным направлениям, а также получить самую актуальную информацию по применению современных микроскопических методов анализа и исследования биологических объектов и использования физических методов в диагностике и терапии заболеваний. Мы надеемся, что курс поможет вырастить кадры, которые смогут эффективно взаимодействовать с биологами и медиками при решении междисциплинарных задач при создании лекарственных препаратов нового поколения. На протяжении последних трех лет мы активно взаимодействуем с Институтом цитологии РАН, с лабораторией профессора Елены Корниловой, что существенно помогло нам в решении наших задач. Конечно, существуют публикации по направлениям, которыми занимается наша лаборатория. Однако со статьями есть сложность. Статьи делятся на два направления: одни посвящены описанию создания структур, а другие – анализу того, как созданные структуры взаимодействуют с бактериями. Авторы статей обычно не работают в связке, поэтому одни не понимают, что делают другие. Мы же хотим пройти путь целиком от создания структур до полного видения того, как именно они взаимодействуют с бактериями. Квантовые точки сейчас активно применяются в гибридных структурах, но, к сожалению, не достигнута та эффективность, которую от них изначально ожидали. Мы считаем, что в этом случае проблема связана не с потенциалом квантовых точек, а с тем, что специалисты не вникают в физику процессов. В случае с гибридными структурами на основе диоксида титана их эффективность под действием света видимого диапазона связана с процессом фотоиндуцированного переноса электрона. Нам как физикам интересно оценить эффективность этого процесса и найти пути увеличения его эффективности. Мы хотим пройти полный цикл: создать структуру, понять, как химически ее можно изменить, как можно оптимизировать архитектуру, самостоятельно оценить эффективность ее работы и затем переходить к тестированию эффективности наших систем на бактериях в реальных условиях. Интересно отметить, что несмотря на популярность антибактериальных систем на основе диоксида титана и квантовых точек, сегодня отсутствуют комплексные исследования, которые позволили бы ответить на вопрос, что именно надо менять в данных системах для достижения максимальной эффективности, которая предсказана теоретически.
Как долго ты занимаешься этим исследованием? Почему ты выбрала именно это направление среди прочих?
Этим исследованием я стала заниматься еще в магистратуре, сейчас я работаю над ним уже четыре года. У нас ведется работа по многим направлениям, среди которых молодой ученый может выбрать наиболее интересное ему. Так, мои коллеги занимаются исследованием хиральности, в сфере биомедицины можно было пойти по направлению фотодинамической терапии, где разрабатываются лекарства на основе гибридных структур с квантовыми точками. Также активно занимаются системой на основе магнитных наночастиц, которые с помощью магнита можно будет привести к месту опухоли, осуществив адресную доставку, там их нагреть, и они смогут уничтожить клетки рака. Есть сенсорные направления, исследуются гибридные структуры на основе графена. В Центре «Физика наноструктур» есть лаборатория, которая занимается металлическими наночастицами и плазмонными эффектами, другая лаборатория занимается жидкими кристаллами. Спектр сфер деятельности действительно широк. Изначально я, хоть и работала с диоксидом титана, сфера применения структур была другой – солнечные батареи. В какой-то момент меня потянуло в медицину и больше захватило социальное значение потенциального продукта. Мне кажется, вылечить человека важнее, чем усовершенствовать устройство солнечной батареи. Переориентация на медицинскую сферу случилась в тот момент, когда открылась лаборатория «Гибридные структуры для биомедицины». Тогда направленность всех исследований под руководством Анны Орловой сменила вектор в сторону биомедицинских применений наноструктурированных материалов. Я и раньше старалась углубиться в медицинскую область, и участие нашей лаборатории в инициативе ЕС по созданию цифровых двойников, надеюсь, поможет ускорить мою работу.
После выступлений на научно-просветительской лекции и в научном баттле твое отношение к популяризации научных достижений как-то изменилось?
Я считаю, популяризация науки – очень важное дело. Возможно, слушатели «Ночи науки» не до конца понимали, чем я занимаюсь, но они обеспокоились проблемой эпидемии и интересовались, что нужно сделать для предотвращения беды. Такими лекциями, надеюсь, мы можем добиться хотя бы небольшого изменения в отношении человека к антибиотикам. Мне было непросто перестроиться с научной терминологии на научно- популярную. Больше внимания на лекции «Ночи науки» я уделяла тому, почему важно то, чем я занимаюсь, ведь слушатели не обязаны понять, что я делаю, они не физики. Я объяснила, что если мы не начнем разрабатывать антибактериальные системы, то мы вернемся в каменный век. Мне понравился опыт выступления на такого рода мероприятиях тем, что ты вынужден придумывать интересные примеры и метафоры, которые в дальнейшем можно использовать и в научной области, что важно.
*Средство массовой информации, признанное «иностранным агентом»
