Светящиеся метки для стволовой клетки

Дискуссии вокруг применения в медицине клеточной и тканевой терапии, в том числе стволовых клеток, достигли нешуточного накала. Одни видят в ней будущее медицины XXI века, другие, несмотря на сообщения об успехах, сомневаются в ее эффективности, а третьи и вовсе отвергают.

Дело в том, что взаимодействие живого организма со стволовыми клетками и их производными носит достаточно сложный, неоднозначный характер и у специалистов до сих пор нет ответов на многие вопросы о механизме такого взаимодействия. Какие именно клетки более эффективны при лечении? Всегда ли они попадают точно по «адресу», то есть в очаг болезненных изменений? Если да, то приступают ли к «ремонту» повреждения или погибают? Без точного знания о происходящих процессах трудно говорить о широком применении этого перспективного вида терапии в практике здравоохранения.

Прорыв в изучении поведения клеток сделали харьковские специалисты — они разработали метод, с помощью которого впервые оказалось возможным воочию увидеть, как «работают» целебные клетки после их введения в живой организм.

Клетка, я тебя вижу!

Чтобы получить ответы на поставленные вопросы, свои научные и технические ресурсы объединили две академические структуры — НТК «Институт монокристаллов» и Институт проблем криобиологии и криомедицины. Ученые использовали современные люминесцентные нанотехнологии — им удалось создать и нанести на клетки особые метки, которые не только сигнализируют люминесцентным свечением о местоположении своих хозяек, но и рассказывают об их состоянии.

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. Она состоялась в Харькове под сопредседательством двух академиков НАНУ — физика Владимира Семиноженко и медика Валентина Грищенко.

Внешне эксперименты выглядят просто. В одном из них в пробирку со стволовыми клетками, взятыми у лабораторной крысы, добавили метки-люминофоры. Они способны «сесть» на живые клетки, зафиксироваться на их поверхности и при определенных условиях начать светиться зеленым светом, как микроскопические люминесцентные лампочки. Потом у этой же крысы смоделировали инсульт, ввели ей меченые клетки в хвостовую вену и стали ждать результатов. Когда через десять дней ученые исследовали срез мозга животного под люминесцентным микроскопом, то обнаружили, что основная масса меченых клеток не только собралась в нужном месте — точно в очаге повреждения, — но и начала активно делиться, восстанавливая и залечивая тем самым пораженную ткань мозга.

Благодаря нанолюминофорам впечатляющую картину свечения можно увидеть собственными глазами с помощью флюоресцентного микроскопа и запечатлеть на фото. Интереснейшие результаты ученые получили и в других опытах с мечеными клетками — при патологии сетчатки глазного яблока, при ожогах кожи и травматических поражениях суставов. Хотя на первый взгляд эксперименты выглядят просто, на самом деле они проводились на стыке двух новейших областей исследований — люминесцентных нанотехнологий и клеточной терапии. Каждая из которых, как говорил поэт, «езда в незнаемое».

Светлячок чуть больше молекулы

Люминофоры — это вещества, обладающие способностью излучать свет определенной длины волны после возбуждения, например после воздействия ультрафиолетовым светом, электрическим разрядом или электронным пучком. Примеров их использования — масса. От люминесцентных ламп и электронно-лучевых трубок телевизоров до флуоресцентных красителей. Такой способностью обладает, в том числе, всем известный нафталин, который может светиться голубым светом. Возбуждение молекул некоторых веществ может произойти и в результате естественного протекания химической реакции в живом организме. Всем известный пример — светлячки.

А вот в ответ на мою просьбу найти материалы по ключевому слову «нанолюминофор» всезнайка Google ответил: «Не найдено ни одного документа, соответствующего запросу».

— Что такое нанолюминофоры? — спрашиваю профессора, доктора наук, заведующего отделом нанодисперсных материалов НТК «Институт монокристаллов» Ю.Малюкина.

— Это те же люминофоры, но в виде частичек величиной всего 5 нанометров, то есть миллиардных долей метра («нано» — греческое слово, означающее «карлик»), — объяснил Юрий Викторович. — Для сравнения: размер атомов или простейших молекул составляет около 0,1 нанометра, а биологической клетки — 20 тысяч нанометров. Размер нанолюминофора — принципиальная вещь. Дело в том, что в «карликовом», наноразмерном состоянии многие вещества меняют свои свойства. Например, если слиток золота — один из самых инертных материалов желтого цвета, то пылинки золота величиной несколько нанометров обладают свойствами катализатора и имеют красный цвет.

— Как создаются нанолюминофоры?

— Механическое дробление материала здесь не годится — нужны наночастички, которые обладают абсолютно одинаковыми размерами и заданными свойствами. Мы разработали технологии получения органических и неорганических нанолюминофоров, в основе которых лежит эффект самоорганизации молекул. Производятся нанолюминофоры — а это могут быть кристаллы, полимерные сферы, цилиндры или трубки — в небольших объемах. В граммах, а то и миллиграммах. При обычном освещении они выглядят как мельчайшая белая пудра. 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.

— А не вредны ли нанолюминофоры клетке или живому организму в целом?

— Все метки, которые мы используем в экспериментах с клетками, практически нейтральны для живого организма. К тому же, чтобы окрасить популяцию клеток объемом один кубический сантиметр, нанолюминофоров требуется в десятки тысяч раз меньше. Они не видны невооруженным глазом.

— Каковы перспективы использования нанолюминофоров, которые синтезируются в НТК «Институт монокристаллов», в других областях медицины?

— Перспективы очень большие. Помимо Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ мы работаем также с учеными Института молекулярной биологии и генетики НАНУ и Киевского национального университета им. Т.Шевченко в области исследований взаимодействия нанолюминофоров с ДНК и РНК. Намечаем пути сотрудничества 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 первое практическое применение нанотехнология найдет именно в биологии и медицине.

Все сокровища криобанка

В отличие от нанолюминофоров, благодаря СМИ о стволовых клетках наслышаны многие. В последнее время они стали объектом активных исследований ученых в научных центрах разных стран мира. Неудивительно, что на такой запрос Google выставил список из 857 тысяч документов!

Напомню, что стволовые клетки, которые лежат в основе клеточной и тканевой терапии, являются своего рода строительными базовыми единицами организма, способными трансформироваться в разные виды клеток. Они содержатся в тканях и органах любого человека, однако в разных количествах — у молодых их много, а у людей преклонных лет — мало. Ученых привлекает их умение 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 А.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.

— Какие новые возможности открывает перед медиками использование нанотехнологий? — с этим вопросом обращаюсь к директору института академику В.Грищенко.

— Наши специалисты 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). Однако светящиеся наночастицы впервые дают возможность получить наглядную картину миграции клеток и их функционирования при введении в живой организм, в том числе организм человека. Так, наша сотрудница Елена Гончарук наносила лабораторным животным на места травм и ожогов особый гель — это были клетки, которые впустили нанолюминофоры внутрь себя и дали возможность прикрепиться к митохондриям. По свечению таких внутренних меток можно было наблюдать поведение клеток непосредственно в процессе их жизнедеятельности, например во время деления. Это очень интересные результаты.

— Каким образом клетки, введенные в хвостовую вену подопытного животного, нашли очаг поражения в мозгу?

— Это удивительное явление специалисты назвали homing (от английского слова home — дом). Пока мы не умеем посылать клетки точно в цель, как посылку по адресу. Дело, однако, не только в том, чтобы клетки дошли до места назначения, важно, в каком состоянии они пришли, смогли ли там остаться, адаптироваться и начать действовать. Возможно, те случаи, когда клеточная терапия не оказывает ожидаемого лечебного действия, объясняются тем, что клетки по какой-то причине осели в другом месте или не начали делиться. Но даже в случае гибели клеток содержащиеся в них биологически активные вещества могут оказывать благоприятное действие на окружающие ткани больного организма, определяя тем самым лечебный эффект.

Существует гипотеза, что в очаге поражения появляются некие вещества, «призывающие» на помощь клетки именно той разновидности, которые нужны для восстановления пораженной ткани. Мы уже научились превращать безликие стволовые клетки в нейроподобные для лечения инсультов. Разработана методика преобразования стволовых клеток в кардиомиоциты — для лечения сердца. Хотя, с другой стороны, есть работы с нашим участием, 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.

— Можно сказать, что количество стволовых клеток в организме — это показатель биологического возраста?

— Стволовые клетки — своего рода золотой запас, которым снабдила нас природа. Но с возрастом он истощается, поскольку постепенно тратится на восстановление клеточных элементов, которые гибнут в течение жизни в связи с 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 подключается 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. Идет напряженная конкурентная борьба, что мы, кстати, видим и по упорным попыткам так или иначе дискредитировать работу ученых нашего института. Зато и выигрыш будет огромным — те страны, которые внедрят использование стволовых клеток в клиническую практику, станут лидерами в профилактике и лечении наследственных и приобретенных заболеваний. Они смогут значительно увеличить продолжительность активного периода жизни своих соотечественников. Пока в этой конкуренции мы имеем существенные преимущества перед западными странами.

***

— Общая тенденция развития материаловедения за последнее столетие направлена на переход от создания массивных материалов, работающих на макроуровне, к миниатюрным, действующим на уровне отдельных молекул и наноструктур. Именно из таких «материалов» состоят живые организмы. Поэтому вполне логично, что новые нано- и молекулярные материалы находят свое применение в первую очередь в биологии и медицине, — комментирует результаты экспериментов академик Владимир Семиноженко. — Так, в НТК «Институт монокристаллов» НАНУ работают всемирно известные научные коллективы, специалисты которых создают материалы, способные работать не только на клеточном уровне, но и 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 клеточных тканей. Поэтому и возникла идея использовать наработки наших двух коллективов для проведения совместных исследований в этой области.

Примечательно, что 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».

За последние годы медико-биологическое материаловедение стало одним из главных направлений работы нашего института. Специалисты исследуют структуру компонентов нуклеиновых кислот, способности некоторых высокомолекулярных соединений доставлять лекарства в заданные места организма, разрабатывают методы иммуноферментного анализа и тест-систем на различные заболевания.