I-11-NAUKA-mol-f04_640Алмаз, внедренный в человеческий организм, способен заменить целый врачебный консилиум.

14.03.11

Как сделать видимым невидимое? Исследования на эту тему спровоцировали шквал открытий в современной медицине. Сегодня на пике научной моды molecule imaging. Речь идет о технической возможности наблюдать движение молекул в клетках человеческого организма. Еще недавно электронный микроскоп позволял проникнуть в тайны лишь мертвых клеток. Но на помощь медикам пришли физики. Наш соотечественник, выпускник МИФИ, ныне профессор университета Маккуори в Австралии Андрей Звягин, приехавший провести серию экспериментов в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН, рассказал «Итогам» о своем ноу-хау, позволившем наблюдать живую клетку во всех нюансах без какого-либо вреда для последней.

— Андрей, почему исследователям нужно видеть именно живые клетки?

— Это очевидно: чтобы создавать лекарства, лечить людей, нужно наблюдать за клетками в живом, работающем организме. Видеть, как в них перемещаются молекулы.

— С помощью оптического микроскопа? Есть ведь предел, связанный с длиной световой волны…

— Физики смогли этот предел преодолеть. Идея пришла из медицины. Известно, что доктор может с помощью стетоскопа очень точно локализовать сердце, хотя длина акустической волны вроде бы не позволяет это сделать. Нужно просто расположить источник волн близко к устройству, регистрирующему их. Этот принцип наши современники приложили к оптической микроскопии. Так мы впервые сумели увидеть структуры размером в 25 нанометров. Когда я писал диссертацию в Токийском университете, то смог вместе с коллегами создать оптические системы, позволявшие увидеть каналы клетки, по которым движутся протеины. Такое раньше трудно было даже вообразить. Мы можем видеть очень маленькие объекты в реальном биологическом контексте, причем по возможности ничего не меняя в нем.

— Так о чем конкретно идет речь?

— О молекулярных зондах. Это направление в микроскопии развивается в течение последних лет двадцати. Сначала ученые присоединяли к молекулам, которые их интересовали, органические флуоресцентные красители. Впрочем, недостатки этого метода давно стали очевидными: красители выцветают. Рано или поздно краситель вступит в соединение с кислородом и перестанет светиться. Причем это, как правило, наступает в самое неподходящее время. Например, мы захотели понаблюдать проникновение вируса в клетку. Можно присоединить к нему одиночную молекулу красителя. Под микроскопом будет видно, как вирус, отмеченный ее цветным пятнышком, подходит к мембране и отходит. Однако в самый интересный момент, когда вирус проникает в клетку, краситель неожиданно гаснет — только потому, что молекула умерла. А ведь ученым важно не только увидеть, что вирус проник через мембрану. Необходимо определить, сколько попыток он сделал, с помощью каких механизмов после проникновения начал двигаться в сторону клеточного ядра.

— И что было предложено?

— Ученые пытались использовать что-то более устойчивое, чем органический краситель. Например, наночастицы. Для этого берут так называемые квантовые точки — крохотные полупроводниковые нанокристаллы. Они обладают свойством ярко светиться при облучении лазером. С помощью биотехнологий к ним можно «присадить» молекулы, способные накрепко прилипнуть к вирусу на все время его завоевательного похода на клетку. Однако квантовые точки, как правило, токсичны для клеток: их составляющими элементами являются сильные яды. Если в экспериментах на клетках, проводимых молекулярными биологами, их еще можно использовать, то в медицине точно нет. К тому же они способны «моргать» — в соответствии с квантовой теорией хаотично потухать и вновь начинать светиться. Проблема интересна для физиков, но в диагностике это очень неудобно. Еще один минус: рано или поздно квантовые точки «умрут» подобно органическим красителям. Мы попытались обойти эти недостатки. И для этого взяли другие частицы — искусственные алмазы размером в несколько нанометров. Это истинные нанотехнологии, поскольку речь действительно идет о частицах наноразмера. Кстати, мы пришли к этому еще до того, как поднялась волна моды на слово «нано». Например, в алмазе размером 4 нанометра всего лишь 20 атомов в одном ряду.

— Звучит фантастично…

— Вовсе нет. Причем используются отходы после тонкой шлифовки камней либо взрыва в специальной камере. Крошка попадается совсем мелкая, уже готового наноразмера.

— Как удается сделать цветные метки из бесцветных алмазов?

— Алмазы имеют оттенки. Это алмазы с небольшими дефектами в структуре решетки. Кстати, голубые ценятся ювелирами выше всего. А мы создаем камни канареечного цвета. Наночастицу алмаза подвергают специальной обработке. Ее помещают в ускоритель частиц — там в кристаллической решетке выбивают один атом углерода. Потом камень нагревают в вакуумной печке. Под действием тепла образовавшаяся вакансия начинает мигрировать и рано или поздно встретится с дефектом решетки в виде азота, который всегда в небольшом количестве здесь присутствует, замещая углерод. Именно такая пара «дефект-азот» становится люминесцентной. Она приобретает способность, получая излучение, в свою очередь испускать фотоны. При этом, поглощая зеленый свет, она излучает красный. В оптическом микроскопе наблюдается яркая красная точка — она нерадиоактивна, не выцветает и не «моргает». Кстати, большой интерес к этому явлению не только у медиков — физики собираются использовать его для квантовых вычислений и даже создать на его основе квантовый компьютер. Медики сразу оценили удобство работы с наноалмазами. Они нетоксичны и быстро выводятся из организма.

— Но это еще надо доказать.

— Конечно. Все дело в том, что нанотрубки и фуллерены имеют у биологов плохую репутацию. Они очень токсичны. Клетки, в которые их помещают, быстро погибают. Понадобились серьезные эксперименты, доказывающие, что живые клетки организма хорошо переносят присутствие наноалмазов. Это вызвало волну интереса к ним.

— Сколько такая частичка может находиться в клетке?

— Под микроскопом можно увидеть, как клетка сначала забирает алмаз внутрь — обволакивает и «проглатывает» его. Но затем она воспринимает его как мусор. Пытается разрушить, растворить кислотами, потом вытолкнуть. Ученые выяснили, что организм выводит из себя наноалмазы в течение пяти дней. Это их большое преимущество и очень хороший результат.

— Как возникла идея использовать наноалмазы не только для диагностики, но и для доставки лекарственных препаратов?

— Мысль пришла почти случайно. Как правило, алмазы, полученные искусственным путем, приходится очищать. Во время очистки на их поверхности появляются активные соединения кислорода, способные легко взаимодействовать с соединениями различных белков организма. В данном случае терминальные группы на поверхности наноалмаза и биомолекулы взаимодействуют, образуя сильную связь. Когда мы узнали об этом совпадении, у нас появилась мысль «присадить» на поверхность наноалмазов какие-то биомолекулы. Мы начали искать биохимиков, которые помогли бы нам использовать эти интересные свойства. После долгих попыток и неудач партнеры нашлись, причем в России. Руководитель лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии РАН Сергей Деев придумал реакцию, которую смог осуществить мой аспирант. Стратегия заключается в следующем. Существуют особые протеиновые пары, способные соединяться только друг с другом, взаимодействующие по типу «ключ-замок». Мы взяли замечательный протеин из коллекции Деева, который устойчив к нагреванию, к действию кислот и щелочей. Но нужно было «посадить» протеин на поверхность алмаза, чтобы образовать такую же прочную пару и сделать это правильно. Нам это удалось, причем полученный комплекс оставался устойчивым в физиологическом растворе. А это очень существенно для использования в медицине.

— Это работает?

— Чтобы проверить, мы «присадили» к наноалмазу зеленый флуоресцентный белок. В результате флуоресцентный микроскоп увидел сразу два сигнала. Светящуюся красную точку — наноалмаз. И зеленую точку — флуоресцентный белок. Второе доказательство было получено, когда мы увидели, как два сигнала, зеленый и красный, вошли в живую клетку. Они сохранялись в ней несколько часов — и это при том, что клетка относится к чужеродному материалу достаточно сурово, стараясь вывести из строя посторонние частицы. Значит, точно таким же образом в живую клетку можно доставить лекарство.

— Что дальше?

— Дальше начинается игра в головоломки. Мы создали часть конструктора, что-то вроде модуля Лего. К нему можно «присадить» самые разные вещества. Мы посчитали, что наноалмаз размером в 100 нанометров способен доставить в клетку примерно тысячу молекул протеина. Это могут быть, например, антитела к различным белкам. Наноалмаз становится чем-то вроде стыковочной станции, несущей лекарства непосредственно в клетку. Но на эту же основу можно поместить и агенты, разрушающие ткани с помощью альфа-частиц или токсинов. Так возникает возможность уничтожать опухоли, диагностируя их на уровне небольших образований. Еще одно экспериментальное направление связано с тем, что наноалмазы способны проникать в ткани головного мозга. Сейчас наши австралийские коллеги используют их для опытов с контролем кровяного давления. Наноалмазы с «присаженными» короткими белками соматостатина помещают в мозг лабораторных мышей. С одной стороны, по светящимся точкам исследователь видит, в какие клетки идет препарат, с другой — наблюдает действие вещества.

— Значит, теперь в конструктор предстоит поиграть биологам?

— Думаю, эти головоломки мы будем решать вместе.

Опубликовано в журнале «Итоги»

В словаре фармы появилось новое выражение in silico — воспроизведенный виртуально. В области математического моделирования востребованы российские специалисты. 

 

© Алла Астахова.Ru