Світні мітки для стовбурової клітини

Дискусії навколо застосування в медицині клітинної та тканинної терапії, у тому числі стовбурових клітин, розгорілися не на жарт. Одні вбачають у ній майбутнє медицини XXI століття, інші, незважаючи на повідомлення про успіхи, сумніваються в її ефективності, а треті — взагалі відкидають.

Річ у тому, що взаємодія живого організму зі стовбуровими клітинами та їхніми похідними має досить складний, неоднозначний характер, і фахівці й досі шукають відповіді на багато запитань про механізм такої взаємодії. Які саме клітини найефективніші під час лікування? Чи завжди вони потрапляють точно за «адресою», тобто в осередок хворобливих змін? Якщо так, то беруться за «ремонт» ушкодження чи гинуть? Без точного знання про процеси, які відбуваються, важко говорити про широке застосування цього перспективного виду терапії у практиці охорони здоров’я.

Прорив у вивченні поведінки клітин здійснили харківські спеціалісти — вони розробили метод, із допомогою якого вперше стало можливим на власні очі побачити, як «працюють» цілющі клітини після їх введення в живий організм.

Клітино, я тебе бачу!

Щоб отримати відповіді на ці запитання, свої наукові й технічні ресурси об’єднали дві академічні структури — НТК «Інститут монокристалів» та Інститут проблем кріобіології і кріомедицини. Вчені використали сучасні люмінесцентні нанотехнології — їм вдалося створити і нанести на клітини особливі мітки, які не лише сигналізують люмінесцентним світінням про місце розташування своїх носіїв, а й розповідають про їхній стан.

Результати унікальних експериментів, які відкривають новий розділ у дослідженні біології тканин і клітинних біоматериалів, було представлено на науковій конференції «Актуальні питання біонанотехнологій» Північно-Східного наукового центру НАНУ. Вона відбулася в Харкові під співголовуванням двох академіків НАНУ — фізика Володимира Семиноженка та медика Валентина Грищенка.

Зовні експерименти прості. В одному з них у пробірку зі стовбуровими клітинами, взятими у лабораторного пацюка, додали мітки-люмінофори. Вони здатні «сісти» на живі клітини, зафіксуватися на їхній поверхні і за певних умов почати світитися зеленим світлом, як мікроскопічні люмінесцентні ліхтарики. Потім у цього ж пацюка змоделювали інсульт, ввели йому мічені клітини у хвостову вену і стали чекати результатів. Коли через десять днів учені дослідили зріз мозку тварини під люмінесцентним мікроскопом, то виявили, що основна маса мічених клітин не лише зібралася в потрібному місці — точно в осередку ушкодження, — а й почала активно ділитися, відновлюючи й заліковуючи тим самим уражену тканину мозку.

Завдяки нанолюмінофорам вражаючу картину світіння можна побачити на власні очі з допомогою флуоресцентного мікроскопа і зняти на фото. Найцікавіші результати вчені отримали і в інших досвідах із міченими клітинами — при патології сітківки очного яблука, при опіках шкіри та травматичних ураженнях суглобів. Хоча, на перший погляд, експерименти видаються простими, насправді їх проводили на стику двох новітніх галузей досліджень — люмінесцентних нанотехнологій і клітинної терапії. Кожна з яких, як казав поет, «їзда в незвідане».

Світлячок трохи більший за молекулу

Люмінофори — це речовини, які можуть випромінювати світло певної довжини хвилі після збудження, наприклад під впливом ультрафіолетового світла, електричного розряду чи електронного пучка. Прикладів їх використання — безліч. Від люмінесцентних ламп та електронно-променевих трубок телевізорів до флуоресцентних барвників. Таку здатність має, зокрема, всім відомий нафталін, який може світитися блакитним світлом. Збудження молекул деяких речовин може статися і в результаті природного перебігу хімічної реакції в живому організмі. Усім відомий приклад — світлячки.

А ось у відповідь на моє прохання знайти матеріали за ключовим словом «нанолюмінофор» всезнайка Google відповів: «Не знайдено жодного документа, що відповідав би запиту».

— Що таке нанолюмінофори? — запитую професора, доктора наук, завідувача відділу нанодисперсних матеріалів НТК «Інститут монокристалів» Ю.Малюкіна.

— Це ті ж таки люмінофори, але у вигляді часток розміром усього 5 нанометрів, тобто мільярдних часток метра («нано» — грецьке слово, що означає «карлик»), — пояснив Юрій Вікторович. — Для порівняння: розмір атомів або найпростіших молекул — близько 0,1 нанометра, а біологічної клітини — 20 тисяч нанометрів. Розмір нанолюмінофора — принципова річ. Річ у тому, що в «карликовому», нанорозмірному стані багато речовин змінюють свої властивості. Наприклад, якщо зливок золота — один із найінертніших матеріалів жовтого кольору, то порошини золота розміром кілька нанометрів мають властивості каталізатора і червоний колір.

— Як створюються нанолюмінофори?

— Механічне дроблення матеріалу тут не проходить — потрібні наночастки, які мають абсолютно однакові розміри й задані властивості. Ми розробили технології отримання органічних і неорганічних нанолюмінофорів, в основі яких лежить ефект самоорганізації молекул. Виробляються нанолюмінофори — а це можуть бути кристали, полімерні сфери, циліндри або трубки — у невеличких обсягах. У грамах, а то й міліграмах. При звичайному освітленні на вигляд вони такі, як дрібна біла пудра. З усіх відомих наноматеріалів нанолюмінофори займають досить вузьку нішу. Однак здатність до люмінесценції та взаємодії з такими біологічними системами, як клітина, її окремі структури, ДНК і РНК, робить їх важливим інструментом дослідження в мікробіології та медицині.

— А чи не шкідливі нанолюмінофори клітині або живому організмові в цілому?

— Усі мітки, які ми використовуємо в експериментах із клітинами, практично нейтральні для живого організму. Щоб забарвити популяцію клітин об’ємом один кубічний сантиметр, нанолюмінофорів потрібно в десятки тисяч разів менше. Їх не видно неозброєним оком.

— Які перспективи використання нанолюмінофорів, які синтезуються в НТК «Інститут монокристалів», в інших галузях медицини?

— Перспективи дуже великі. Окрім Інституту проблем кріобіології та кріомедицини НАНУ, ми працюємо також із ученими Інституту молекулярної біології та генетики НАНУ й Київського національного університету ім.Т.Шевченка в галузі досліджень взаємодії нанолюмінофорів із ДНК і РНК. Накреслюємо шляхи співпраці з фахівцями Інституту експериментальної патології, онкології та радіобіології НАНУ, Інституту нейрохірургії АМН, Інституту травматології та ортопедії АМН. До речі, ще в 1998 році журнал Science прогнозував, що перше практичне застосування нанотехнологія знайде саме в біології та медицині.

Усі скарби кріобанку

На відміну від нанолюмінофорів, завдяки ЗМІ про стовбурові клітини чули багато людей. Останнім часом вони стали об’єктом активних досліджень вчених у наукових центрах різних країн світу. Не дивно, що на такий запит Google виставив список із 857 тисяч документів!

Нагадаю, що стовбурові клітини, які лежать в основі клітинної та тканинної терапії, є свого роду будівельними базовими одиницями організму, здатними трансформуватися в різні види клітин. Вони містяться в тканинах і органах кожної людини, однак у різних кількостях: у молодих їх багато, а в людей похилого віку — мало. Вчених приваблює їх уміння знаходити в організмі осередок хвороби і відновлювати уражене місце. Однак життя клітин поза організмом коротке. Тому, хоч їх було виявлено російським ученим Максимовим ще на початку минулого століття, умови для вивчення та використання клітин з’явилися значно пізніше — коли вчені придумали, як стовбурові клітини заморожувати, а потім за потреби розморожувати, щоб вони залишалися живими і здоровими.

Одним зі світових лідерів у цій галузі науки є Інститут проблем кріобіології та кріомедицини НАНУ в Харкові, при якому створено Низькотемпературний банк біологічних об’єктів, визнаний національним надбанням України. Тут в умовах глибокого холоду зберігають тисячі препаратів тканин і клітин, на основі яких розроблено методи клітково-тканинної терапії у схемах лікування ряду тяжких захворювань.

— Які нові можливості відкриває перед медиками використання нанотехнологій? — із цим запитанням звертаюся до директора інституту академіка В.Грищенка.

— Наші фахівці й раніше використовували мітки для клітин, але це були не нанолюмінофори. В експериментах клітини брали в донора однієї статі, вводили реципієнтові іншої статі і простежували їхню долю за статевими хромосомами, різними у чоловіків (ХY) і жінок (XX). Однак світні наночастки вперше дають можливість отримати наочну картину міграції клітин та їх функціонування при введенні в живий організм, зокрема в організм людини. Так, наша співробітниця Олена Гончарук наносила лабораторним тваринам на місця травм і опіків особливий гель — це були клітини, які впустили нанолюмінофори всередину себе і дали можливість прикріпитися до мітохондрій. За світінням таких внутрішніх міток можна було спостерігати поведінку клітин безпосередньо у процесі їхньої життєдіяльності, наприклад під час ділення. Це дуже цікаві результати.

— Як клітини, введені у хвостову вену піддослідної тварини, знайшли осередок ураження в мозку?

— Це дивне явище спеціалісти назвали homing (від англійського слова home — будинок). Поки що ми не вміємо посилати клітини точно в ціль, як посилку за адресою. Річ, однак, не лише в тому, щоб клітини добралися до місця призначення, важливо, у якому стані вони прийшли, чи змогли там залишитися, адаптуватися й почати діяти. Можливо, випадки, коли клітинна терапія не справляє очікуваної лікувальної дії, пояснюються тим, що клітини з якоїсь причини осіли в іншому місці або не почали ділитися. Але навіть у разі загибелі клітин вміщені в них біологічно активні речовини можуть сприятливо впливати на навколишні тканини хворого організму, визначаючи тим самим лікувальний ефект.

Відповідно до гіпотези, в осередку ураження з’являються певні речовини, що «кличуть» на допомогу клітини саме того різновиду, які потрібні для відновлення ураженої тканини. Ми вже навчилися перетворювати безликі стовбурові клітини на нейроподібні для лікування інсультів. Розроблено методику перетворення стовбурових клітин на кардіоміоцити — для лікування серця. Хоча, з іншого боку, є робота з нашою участю, коли хворим при інфаркті міокарда вводили просто стовбурові клітини, і вони допомагали серцю видужувати. У цій галузі медицини є ще чимало запитань, на які, ми сподіваємося, допоможуть відповісти нанотехнології.

— Можна сказати, що кількість стовбурових клітин в організмі — це показник біологічного віку?

— Стовбурові клітини — свого роду золотий запас, яким наділила нас природа. Але з віком він виснажується, оскільки поступово витрачається на відновлення клітинних елементів, котрі гинуть протягом життя у зв’язку зі зношенням, хворобами, травмами тощо. Ось чому й народилася ідея в міру необхідності поповнювати цей запас ззовні, використовувати стовбурові клітини для лікування та омолодження. Вона й лежить в основі клітинно-тканинної терапії, що стала одним із найперспективніших методів і напрямів медицини майбутнього.

До процесу активних досліджень на цьому напрямі підключаються дедалі більше спеціалізованих наукових центрів як в Україні, так і в усьому світі. На ці потреби в розвинених країнах виділяються величезні фінансові кошти — і державні, і приватні. Триває напружена конкурентна боротьба, про яку свідчать, до речі, і вперті спроби так чи інакше дискредитувати роботу вчених нашого інституту. Зате й виграш буде величезним — ті країни, які впровадять використання стовбурових клітин у клінічну практику, стануть лідерами у профілактиці та лікуванні спадкових і набутих захворювань. Вони зможуть значно подовжити тривалість активного періоду життя своїх співвітчизників. Поки що в цій конкуренції ми маємо істотні переваги перед західними країнами.

***

— Загальна тенденція розвитку матеріалознавства протягом останнього століття спрямована на перехід від створення масивних матеріалів, які працюють на макрорівні, до мініатюрних, котрі діють на рівні окремих молекул і наноструктур. Саме з таких «матеріалів» складаються живі організми. Тому цілком логічно, що нові нано- та молекулярні матеріали знаходять застосування передусім у біології та медицині, — коментує результати експериментів академік Володимир Семиноженко. — Так, у НТК «Інститут монокристалів» НАНУ трудяться всесвітньо відомі наукові колективи, спеціалісти яких створюють матеріали, здатні працювати не лише на клітинному рівні, а й на рівні окремих компонентів клітин та окремих біомолекул. Водночас Інститут проблем кріобіології та кріомедицини НАНУ має величезний досвід у сфері вивчення та використання клітинних тканин. Тому й виникла ідея використовувати напрацювання наших двох колективів для проведення спільних досліджень у цій галузі.

Примітно, що ці експерименти можна було задумати, поставити і проаналізувати лише у співдружності вчених різних спеціальностей. Окрім фахівців із Інституту проблем кріобіології та кріомедицини НАНУ, це біологи Юрій Микулинський та Олена Щегельська з діагностичної лабораторії «Вірола», нейрохірург Володимир П’ятикоп із Харківського медичного університету, офтальмолог Юрій Дьомін із Медичної академії післядипломної освіти, фізик Юрій Малюкін і хімік Ігор Боровий із НТК «Інститут монокристалів».

Останніми роками медико-біологічне матеріалознавство стало одним із головних напрямів роботи нашого інституту. Фахівці досліджують структуру компонентів нуклеїнових кислот, здатність деяких високомолекулярних сполук доставляти ліки у задані місця організму, розробляють методи імуноферментного аналізу і тест-систем на різні захворювання.