В ТРЕНДЕ БИОМЕДИЦИНЫ

Разработкой методов лабораторной диагностики онкологических заболеваний с использованием магнитных наночастиц и принципа ядерно-магнитного резонанса пермские ученые занимаются совместно с коллегами из лаборатории прикладного магнетизма Института физики металлов им. М.Н. Михеева. В исследовании участвовали также сотрудники биологического и химического факультетов Пермского государственного национального исследовательского университета и лаборатории многофазных дисперсных систем Института технической химии Пермского ФИЦ. О том, как шла эта работа и каковы ее итоги, мы поговорили с руководителем проекта, ведущим научным сотрудником лаборатории экологической иммунологии ИЭГМ доктором биологических наук профессором Михаилом Раевым и одним из основных исполнителей кандидатом биологических наук Павлом Храмцовым.

М. Раев: В качестве модельного объекта мы выбрали простатспецифический антиген, один из маркеров рака предстательной железы. Повышение его концентрации в крови мужчин может свидетельствовать о наличии этого заболевания и является очевидным поводом для более глубокого обследования. Анализ проводится при помощи бумажных тест-полосок, которые последовательно помещаются в разведенный образец сыворотки крови пациента, а затем в раствор функционализированных магнитных наночастиц. Это частицы, приобретающие в результате обработки способность взаимодействовать с мишенью, в качестве которой могут выступать маркеры различных заболеваний. Магнитные наночастицы являются диагностическими реагентами и играют роль меток: чем больше в крови пациента простатспецифического антигена, тем больше будет наночастиц на тест-полоске.

П. Храмцов: Принцип ядерно-магнитного резонанса используется для того, чтобы оценить количество магнитных наночастиц на поверхности тест-полосок. Сокращение времени релаксации протонов, которые находятся непосредственно в зоне взаимодействия мишени, в нашем случае простатспецифического антигена, и функционализированных наночастиц на тест-полоске, свидетельствует о присутствии онкомаркера в исследуемом образце. Чем больше наночастиц на тест-полоске, тем меньше время релаксации протонов. При помощи портативного релаксометра, разработанного в лаборатории прикладного магнетизма Института физики металлов УрО РАН, мы измеряем время релаксации протонов внутри тест-полосок и на основе этих данных рассчитываем концентрацию онкомаркера в образцах.

М. Раев: Мы разработали различные аранжировки метода определения простатспецифического антигена, которые позволяют производить точную оценку его концентрации в образцах крови пациентов. На основе физического принципа детекции магнитных наночастиц создана работающая тест-система для клинической лабораторной диагностики. Были сконструированы портативные релаксометры и программное обеспечение, которые способны работать в ограниченном пространстве.

Наши релаксометры в перспективе могут применяться для постановки лабораторных анализов, основанных на принципе ядерно-магнитного резонанса, с использованием магнитных наночастиц, способных избирательно взаимодействовать с весьма широким спектром мишеней. Сейчас на зарубежном рынке есть подобные тест-системы, предназначенные главным образом для идентификации бактерий.

Еще один результат исследования — технология синтеза магнитных наночастиц с различными белковыми покрытиями (альбумин, казеин, желатин). Такие покрытия обеспечивают высокую стабильность наночастиц при хранении, что важно для их практического применения. Наше технологическое решение предотвращает спонтанную агрегацию наночастиц.

П. Храмцов: Разработанные нами магнитные наночастицы на основе железа и железо-кобальтовых сплавов обладают выдающимися магнитными свойствами, их можно использовать в качестве контрастов в магниторезонансной томографии и иммуноанализах.

В целом результаты исследования могут найти применение в различных отраслях клинической лабораторной диагностики, для адресной доставки лекарственных средств, в биотехнологии при разработке покрытий наноматериалов.

М. Раев: О внедрении пока речь не идет. Для этого потребуются дальнейшее процедурное упрощение метода и автоматизация процессов подготовки проб к анализу и непосредственного измерения диагностически значимого сигнала.

Мы предлагаем технологическое решение для получения диагностических реагентов и инструмент, которые можно использовать в ходе конструирования тест-систем, предназначенных для диагностики не только различных видов рака, но и других заболеваний, например, инфекционных, аутоиммунных.

 

Напомним, что графен, за открытие которого А. Гейм и К. Новоселов в 2010 г. получили Нобелевскую премию, — это двумерный материал из одноатомного слоя углерода. Благодаря своим уникальным свойствам — прочности, высоким тепло- и электропроводности — он может применяться в качестве композиционного материала для сверхчувствительных датчиков, высокоэффективных каталитических ячеек, наноканалов для секвенирования ДНК, для высокоэффективных теплоотводящих поверхностей, приборов эмиссионной наноэлектроники, сорбентов большой емкости, сверхтонких фильтров для высокой степени опреснения и очистки воды и во многих других областях. Этот материал хорош еще тем, что он биологически разлагается и не представляет угрозы для окружающей среды.

Оказалось, что графен может использоваться и в биомедицине. Такие исследования уже ведутся за рубежом и в России. Проект пермских ученых по изучению биосовместимости оксида графена с клетками иммунной системы в нынешнем году получил поддержку РНФ. О перспективах этого направления исследований мы поговорили с руководителем проекта ведущим научным сотрудником лаборатории экологической иммунологии Института экологии и генетики ПФИЦ УрО РАН доктором биологических наук Светланой Замориной.

— Он может использоваться как компонент лекарственных препаратов, в частности антибактериальных и противоопухолевых. Так, британские исследователи обнаружили, что окись графена выборочно поражает стволовые клетки, относящиеся к категории раковых. Предполагается, что графен может быть эффективен против широкого диапазона опухолей. В ряде исследований была продемонстрирована способность графена и его производных активировать иммунокомпетентные клетки, т.е. клетки, которые распознают чужеродные или потенциально опасные для организма агенты и вырабатывают против них антитела. Этот эффект успешно использовали китайские ученые: оксид графена усиливал иммунный ответ и служил носителем антигена при вакцинации. А британские исследователи недавно показали возможность применения оксида графена как носителя в иммуномодуляторах. Пригодится графен и его производные и для медицинской визуализации, т.е. представления внутренних органов на экране монитора при хирургическом вмешательстве или в целях диагностики.

— У нас исследования графеновых материалов сконцентрированы примерно в 50 организациях, в основном в системе Академии наук, и подавляющее их большинство не связаны с биомедициной. Исключение составляют разве что специалисты из лаборатории нанооптики и плазмоники Московского физико-технического института, создавшие на основе оксида графена сверхчувствительный биосенсор, который может служить в том числе диагностическим чипом на ВИЧ-инфекцию. В целом применение графена и его соединений в медицине тормозится из-за недостатка систематизированных сведений о его воздействии на организм человека, в частности на иммунную систему.

— На самом деле наша группа и раньше активно изу-чала угольные наночастицы в контексте их применения в иммунодиагностике, и работа с графеном — логическое продолжение этих исследований. Более того, именно сейчас мы сможем объединить наш опыт изучения клеток иммунной системы и навыки работы с наночастицами. Сама идея изучать графен принадлежит кандидату биологических наук П.В. Храмцову — основному «драйверу» проекта.

Мы исследуем оксид графена. Среди производных форм графена именно это соединение обладает наилучшей биосовместимостью и высоким потенциалом для функционализации — подготовки к использованию в организме и при этом сохраняет все присущие этому материалу привлекательные физико-химические свойства.

Нас интересует, во-первых, безопасен ли оксид графена для иммунокомпетентных клеток. Во-вторых, надо выяснить, какие из обнаруженных эффектов воздействия оксида графена на иммунные клетки могут использоваться для создания перспективных биомедицинских препаратов. Мы стремимся комплексно исследовать влияние оксида графена на клетки врожденного и адаптивного иммунитета, что позволит прогнозировать эффект от введения препаратов на основе графена на системном уровне.

По итогам работы надеемся получить исчерпывающую информацию о взаимоотношениях модифицированных форм оксида графена с важнейшими звеньями иммунной системы. В фундаментальном плане необходимо в целом расширить наши представления о взаимодействии наночастиц с клетками человека, так как ранее наш организм не сталкивался с графеном и другими наноматериалами — это своего рода эволюционный вызов для иммунитета. Однако новые материалы неизбежно будут появляться, без этого невозможно дальнейшее развитие биомедицинского инструментария. Именно поэтому важно вовремя изучить и понять процессы взаимодействия клеток с наноматериалами.

Прикладной аспект связан с прогнозированием эффективности и безопасности терапевтических и вакцинных препаратов на основе графена, новых технологий адресной доставки лекарственных средств и систем визуализации тканей.

— Да, наш коллектив мультидисциплинарный. Ведь прежде чем изучать реакции клеток иммунной системы на воздействие графеновых материалов, надо эти материалы получить. Необходимо разработать эффективные технологии модификации поверхности углеродных наночастиц, пригодных для применения в иммунодиагностике различных состояний организма человека и животных. Химической модификацией оксида графена занимаются сотрудники лаборатории многофазных дисперсных систем Института технической химии Пермского ФИЦ УрО РАН, которую возглавляет доктор технических наук В.А. Вальцифер. Кандидат химических наук А.И. Нечаев покрывает наночастицы биосовместимыми биополимерами — полиакриламидной кислотой и полиэтиленгликолем. Такой процесс называется функционализацией. Именно функционализированные наночастицы оксида графена используются в адресной доставке лекарственных средств, при создании иммуномодуляторов и терапевтических препаратов.

Для визуализации эффекта, который оказывают наночастицы оксида графена на клетки иммунной системы, будет применяться система прижизненного динамического наблюдения за этими клетками. Это компетенция сотрудников базовой лаборатории иммунологии и клеточных биотехнологий Балтийского федерального университета им. И. Канта, которой заведует доктор медицинских наук Л.С. Литвинова.

К реализации проекта привлечена также научная молодежь — студенты и магистранты кафедры микробиологии и иммунологии биологического факультета Пермского государственного научно-исследовательского университета.