Новости

5 мая, 2016 14:11

Отдел доставки. Магнитное поле разнесет лекарства по больным клеткам.

Источник: Пресс-служба МГУ
Одной из тем в этой области занимается группа ученых кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ. Руководит исследователями заместитель директора Научно-образовательного центра по нанотехнологиям университета, профессор Наталья Клячко - известный ученый в области нанотехнологий, биохимии и биокатализа, специализирующаяся в изучении ферментов. Наталья Львовна возглавляет исследования, проводимые по гранту РНФ, со сложным названием “Дистанционное управление с помощью ультранизкочастотного магнитного поля функциями биополимеров и других макромолекул, иммобилизованных на магнитных наночастицах”. Группа под ее руководством разработала и экспериментально подтвердила принципиально новый подход к изменению функциональных свойств белков (ферментов), биологических мембран и других биомолекул при помощи магнитных наночастиц и переменного магнитного поля. Суть процесса заключается в механическом разрыве связи между, например, молекулами лекарства-фермента и молекулами его блокатора-ингибитора под действием магнитного поля или в изменении проницаемости липидного бислоя биологической мембраны клетки. Учитывая малые масштабы системы, такой способ был назван наномеханическим. 
Исследования группы Н.Клячко относятся к разряду технологических прорывов в области медицинских технологий и лекарственных средств.  Работы идут уже третий год, в результате должны быть выявлены базовые закономерности влияния переменного магнитного поля (ПМП) на структуру и биохимические свойства наноагрегатов. Это позволит целенаправленно создавать новые молекулярные биомедицинские технологии, позволяющие не только доставлять лекарства непосредственно в больную клетку, но и включать/выключать их работу. 

- Наталья Львовна, чем конкретно вы занимаетесь по гранту РНФ?

- Занимаемся фундаментальными научными исследованиями, - улыбается Наталья Клячко, - имея в виду дальнейшее прикладное использование наших наработок в области медицины. Эффект действия магнитного поля (МП) на биологические процессы известен давно. Исследования ведутся во всем мире в самых разных аспектах и направлениях. Очень распространено такое направление, как гипертермия. 

- Что это такое?

- В раковую клетку, например, загружают большое количество магнитных частиц, а потом воздействуют высокочастотным магнитным полем. Происходит локальный разогрев частиц и клетки, и она умирает. Так считалось до недавних пор. Мы когда-то тоже с этого начали с Александром Кабановым, профессором МГУ и Университета Северной Каролины (в то время он работал в Медицинском центре Университета Небраски), и его коллегой Мариной Сокольски. Но мы, энзимологи, хотели разобраться в механизмах действия, в том, как влияет МП на ферменты - биологические катализаторы, на структуру белка, на катализируемую реакцию, насколько вообще можно чем-то управлять. 

- Мы - это кто?

- У меня очень хорошие коллеги! Это доктор физико-математических наук профессор Юрий Головин - он много лет читает курс лекций для студентов МГУ по физике наноструктур и наноматериалов, будучи одновременно директором Центра наноматериалов и нанотехнологий в Тамбовском государственном университете. Александр Кабанов, который тоже очень увлечен этой работой, молодой доктор наук Александр Мажуга, на котором лежит “бремя” получения самих магнитных наноматериалов и исследования их свойств. И студенты, аспиранты, конечно,  - по-другому и не бывает. Сейчас у меня 15 человек. Состав меняется: приходят новые люди, расширяются задачи.
Так вот, мы стали разбираться и поняли: наблюдаемые эффекты не укладываются в понятие локального разогрева - работает что-то другое!
Наши коллеги из Тамбова сделали простенькую установочку - она у нас теперь музейный экспонат, - на которой мы смогли создавать не высокочастотное, а низкочастотное магнитное поле (50 герц и ниже). Такое поле не разогревает систему. А эффект есть! Воздействие МП видно и по изменениям в структуре белка (метод кругового дихроизма - различное поглощение веществом света в зависимости от поляризации последнего), и по каталитической активности фермента. И у нас возникла гипотеза: дело не в разогреве, а эффект МП обусловлен неким механическим воздействием на структуру белка. 

- А за счет чего может происходить такое механическое воздействие?

- Мы выяснили, например, что можем закреплять молекулу белка размером в несколько нанометров между магнитными наночастицами (тоже небольшими, 30 нанометров). Под воздействием ПМП эти частицы начинают “болтаться” и тянут за собой молекулу белка. Таким образом, мы можем менять конформацию белка, то есть пространственное расположение атомов в молекуле. Это в значительной мере определяет его химические, физико-химические и биологические свойства. Таким был один аспект, с которого, собственно, мы начали и продолжаем эти исследования.
Потом стали пробовать разные системы, в том числе и для доставки лекарств. Ведь задача в том, чтобы сначала направить лекарство в клетку в некоем контейнере, а потом каким-то образом его вынуть. Это - большая проблема, и вариантов может быть очень много. Скажем, как вытащить из полимерного контейнера вещество или как доставить в клетку фермент, а потом его вытащить? С этим мы тоже стали возиться. Пробовали самые разные варианты магнитных частиц, по-разному функционализированных в зависимости от задачи. Вопросов хватало: какие молекулы использовать для функционализации, длинные “хвосты” или короткие, “заряженные” молекулы или нет, и т.д.?

- Хвосты?

- Длинный “хвост” - это, например, такой природный полимер из полиаминокислот, поливизина, имеющий много-много положительных зарядов. Белок (лекарство в данном случае) заряжен отрицательно, “хвост” - положительно, образуется довольно прочный комплекс белка и полимера на магнитной частице. Под действием МП “хвосты” начинают перемещаться и... сбрасывают с себя белок. Voi la, доставка совершена. 

- Прямо крылья, ноги и хвосты получаются.

- Ну, да, - улыбается Наталья Львовна. - “Хвосты” “хвостами”, но мы подумали и попробовали повлиять, например, на клеточную мембрану. 
Взяли “контейнер”, на поверхности которого бислой липидов (как мембрана клетки). Это может быть липосома или везикула типа экзосомы (экзосомы - микроскопические внеклеточные везикулы (пузырьки) диаметром 30-100 нанометров, выделяемые в межклеточное пространство клетками различных тканей и органов. - А.С.). Использовали магнитные наночастицы, которые были выращены в виде длинных палочек. И вновь получили интересный результат: под действием магнитного поля такая палочка “ходит” и тянет за собой эти самые липиды из биологической мембраны. При этом сама мембрана разупорядочивается, иными словами, нарушается ее целостность. А раз так, то можно ввести лекарство снаружи внутрь контейнера или же выгрузить его в клетки из доставочного контейнера. Нам удалось загрузить в клетку высокомолекулярный белок с помощью разупорядочения мембраны под действием ПМП.
Еще один важный момент - работа с ферментами, которые разрушают клетки различных патогенов. Они выделяются из бактериофагов - вирусов-бактерий. Можно выделить фермент, который будет убивать только патогенную клетку. Обычно бактериофаги заражают клетку и изнутри производят фермент, который, выходя из клетки, убивает ее. А мы хотим заставить фермент убивать заданную клетку снаружи. И вот тут тоже оказалось полезным низкочастотное ПМП, которое может заставить фермент “пролезть” через мембрану к пептидогликану клетки, который данный фермент умеет разрушать. У нас уже довольно большая линейка приборов, создающих различные по частоте магнитные поля.

- Приборы отечественные?

- Да, разработанные и сделанные нашими коллегами из Тамбова (компания “Нанодиагностика”) - “Астра” и “Тор”, и еще один, позволяющий непосредственно в МП измерять спектры и кинетику по поглощению и флуоресценции. 

- В декабре работы по гранту закончатся. Какими результатами будете отчитываться? Что дальше?

- Мы хотим подать заявку на продление. У нас много идей продолжения этой работы, в том числе не только с переменным магнитным полем, но и с постоянным. Наши коллеги сейчас разрабатывают для нас универсальный прибор с переменным и постоянным МП низкой и высокой частоты (в рамках гранта). А отчитаться есть чем. Например, нам удалось показать, что с помощью поля и магнитных стержней можно менять фактическую упорядоченность липидов в биологической мембране как в контейнерах липосом и экзосом, так и в самих клетках. Эти исследования имеют большие перспективы.

- Кто еще в мире, в стране занимается этой проблематикой?

- В мире есть несколько групп, которые изучают влияние МП на те или иные процессы. Хотя эксплуатировать идею гипертермии продолжают, многие ученые уже оперируют термином “магнито-механическое действие” - нас заметили, наши публикации читают.

- Вы - первооткрыватели?

- По сути, да. Мы понимаем, с чем имеем дело на молекулярном уровне. Работаем с однородным МП, а этого никто не умеет делать и не делает: в опытах используем строго однородное поле с заданными параметрами частоты и интенсивности.

- Ваши работы заметили на научных конференциях или благодаря публикациям?

- И так и так. Публикации читают хорошо. 

- А сколько уже публикаций сделано по проекту? 

- Наверное, штук двенадцать, даже чуть больше, чем нужно. Хотя не всё успеваем - на это тоже необходимо время.

- Заявка на получение гранта РНФ была обусловлена необходимостью найти деньги на новые исследования или для того, чтобы продолжить уже начатые?

- Знаете, перед этим у нас был мегагрант первой волны 2010 года от Минобрнауки, работой по нему руководил Александр Кабанов. Там было много направлений, связанных с ферментами в полимерных наночастицах. И маленький кусочек касался нашей сегодняшней темы. Уже тогда мы попытались разобраться в этих полях. А наработки требовали продолжения исследований. Да и в мире уже стали появляться некоторые труды на эту тему. Захотелось разбираться и дальше. А деньги никогда не лишние. Особенно для молодежи: стипендии же маленькие.
Вообще, после мегагранта от Минобрнауки с огромнейшим количеством бумаг для заполнения РНФ мне показался просто манной небесной: отчет простой, бумаг мало. 

- Что еще мешает?

- Ситуация с реактивами, приборами... Научную работу в университете приравнивают к поставкам простыней и стульев в больницы. Мы вынуждены иметь дело с этими тендерами, искать, где дешевле. Но научная работа как с этим связана?! Сегодня нам нужен этот реагент, завтра - тот. Мы хотим реагент именно вот этой фирмы и никакой другой, потому что он, например, чище.

- Как выходите из положения?

- Приходится работать в рамках того, что имеем. А это гораздо дольше. Бумаг куча. Время поставки - несколько месяцев. Я периодически работаю в США, в Европе: там заказал реактив - через два дня тебе его принесли.

- Экономическая ситуация в стране тоже повлияла на исследования?

- По гранту мы получаем около 5 млн рублей в год. Зарплаты как платили, так и платим, а покупки, безусловно, стали обходиться дороже, сложнее стало послать сотрудника на научную конференцию за рубеж.

- Если бы гранта не было, исследования в этой области тоже не состоялись бы?

- Мы в такой стране живем... Мы альтруисты, любим науку. Во многих случаях решаем научные проблемы вне зависимости от финансирования. Отсутствие денег не остановит исследования, но может сильно тормозить.

- Почему выбрали именно эту профессию, Наталья Львовна?

- Мне всегда нравилась химия. Еще в пятом классе мама очень просто рассказала мне про таблицу Менделеева. Так просто, что когда начались уроки по химии, для меня все было легко. Мне это нравилось. Одно время думала пойти в криминалистику, увлекалась детективами, да и сейчас люблю читать. Но пошла все же на химфак. 
А в биологию пришла интересно. У нас преподавал чешский профессор Карел Мартинек, который был моим учителем. Тогда только образовалась кафедра химической энзимологии. Мартинек девушек в группу не брал. Но мне после некоторых колебаний предложил: “Не хотите ли заниматься ферментами в обращенных мицеллах?” Не поняв ни слова, я, не сомневаясь, ответила: “Да!”... Потом рано защитила докторскую, рано стала профессором. Успела поработать в США. В то время все ехали из России. А я вернулась: в стране разруха, но на кафедре масса студентов с горящими глазами. Куда уедешь?! Работала, создавала новые направления. Недавно у нас на химическом факультете еще одно направление появилось - химия живых систем. Желающих тьма, а взять можем только 24 человека.

- Хватает времени на научные исследования? 

- Ответственность большая: на кафедре я отвечаю за весь учебный процесс, занята также на факультете наук о материалах, биотехнологическом факультете, много бумаг опять же... Но стараюсь успевать.

- Как скоро исследования по гранту возможно будет реализовать в прикладной области?

- Думаю, это не очень далекое будущее. Стараемся прилагать максимум усилий в этом направлении. Скоро перейдем к опытам на мышках.
Мы рассчитываем, что проведенные эксперименты станут основой для развития нового направления в адресной доставке лекарств, в частности терапии онкологических заболеваний, что приведет к созданию коммерчески доступного терапевтического препарата и даст пациентам с ныне неизлечимыми заболеваниями надежду на выздоровление.

29 июня, 2022
Ученые СПБГУ переосмыслили свойства органических катализаторов и описали их «магнитное» действие
Российские ученые определили главный фактор, влияющий на активность катионных органических катализ...
29 июня, 2022
Гидробиологи обнаружили новые виды микроракообразных на плато Путорана
Исследователи описали видовой состав ракообразных, населяющих водоемы плато Путорана — уникального...