ZAXID.NET спільно з київським лекторієм Public Science започатковує цикл науково-популярних публікацій, присвячених українським науковцям і останнім досягненням людства у різних сферах науки.
Першим нашим співрозмовником став Костянтин Турченюк, який займається наномедициною, а конкретніше – розробкою наночасток, які радикально змінять методи лікування раку та діабету.
Костянтин Турченюк, 30 років, кандидат хімічних наук, закінчив хімічний факультет КНУ ім. Т. Шевченка. Захищав дисертацію в Інституті біоорганічної хімії та останні три роки займається нанотехнологіями та наномедициною в лабораторіях Франції та Ізраїлю.
Досягнення: розробка наночастинок фототермічної та фотодинамічної дії для терапії онкологічних захворювань, розробка методів доставки інсуліну.
Чому працює за кордоном: Нанотехнології за кордоном розвиваються набагато інтенсивніше, ніж на теренах рідної України. Для багатьох вчених це є справжній челлендж та колодязь знань в поєднанні із ресурсами та фінансуванням. Сьогодні це є пріорітетом для мене.
***
Нанотехнології - одна з відносно нових наукових гілок у медицині і втілення розробок у цій сфері дозволяє докорінно змінити підхід до лікування великої кількості захворювань, таких як діабет та онкологія. Напередодні лекції ми поспілкувалися з молодим вченим Костянтином Турченюком щодо принципів дії нанотехнологій на організм хворих, дослідження їх впливу та перспективи розвитку нанотехнологічних розробок у вітчизняній медицині.
Для початку, розкажіть, що таке наномедицина і які проблеми вирішує ця наука?
Наномедицина – це наука, яка втілює розробки нанотехнологій (матеріали розміром від 1-го до 300 нм) у медицину з метою вирішення проблем сучасної медицини. Питання здоров’я завжди буде актуальним. Настала ера інтелектуальних рішень, які дозволять з мінімальними наслідками вирішити медичні проблеми або спростити вирішення цих проблем.
Створення матеріалів які дозволять контрольовано та направлено діяти на людське тіло, працюючи в ньому тільки тоді, коли потрібно, там де потрібно, вмикаючись та вимикаючись в потрібний момент, доставляючи необхідну дозу препарату – це все можна назвати задачами наномедицини.
Коли виникла ця наука та коли можна очікувати преперати від наномедицини на полицях в аптеках? Чи є вже такі лікарські засоби?
Ця наука виникла близько 20-30 років тому внаслідок унікального відкриття за спостереженням розвитку пухлинної тканини. Виявилось, що розміри між клітинами в стінках судин, що постачають кров до пухлини, виявилися співрозмірними з розміром наночастинок. Це означає, що наночастинки, потрапляючи в організм і подорожуючи у кров’яному потоці, здатні пасивно накопичуватися в таких ділянках. Це радикально відрізняє пухлинну тканину від нормальної здорової тканини, в якій таке накопичення є неможливим через те, що клітини епітелію судин дуже щільно прилягають один до одного.
На малюнку показана детальна будова наночастинки. Сірим кольором намальовані полімерна оболонка. Голубим - антитіла. Червоне - це діюча речовина, наприклад, антираковий препарат, енкапсульований всередину наночастинки
Після такого винаходу, нанотехнології почали дуже широко тестуватися на предмет онкології, а потім і таких захворювань, як діабет та іммунологічні відхилення, генетика, захворювання кісток та шкіри. На сьогодні тестування ведуться у всіх напрямках медицини.
Але найбільш помітного прориву нанотехнології досягли у лікуванні онкологічних захворювань. Наприклад, такі препарати AbraxaneÔ, DoxilÔ, ThermoDoxÔ широко розповсюджуються у клінічній практиці. Дані лікарські засоби вже сьогодні дозволяють забезпечити кращу реакцію на лікування пацієнтів, а також нижчу токсичність в порівнянні із аналогічними лікарськими засобами не нанотехнологічного вмісту.
Наприклад, Abraxane™ представляє собою продукт конденсації білка людського альбуміна та антиракового препарату паклітаксель. Через те, що людський альбумін є основною поживною речовиною ракових клітин, вони не мають механізму розпізнавання комплексу (наночастинки) молекул альбуміну з паклітакселем, Таким чином, антираковий препарат ніби схований та безпроблемно може накопичуватися виключно у пухлині.
Іншого типу лікарський препарат Doxil™ є ліпосомальною наночастинкою, яка містить у своєму складі антираковий препарат доксорубіцин. Інша модифікація Doxil™ – це препарат ThermoDox™, який дозволяє контрольовано вивільняти доксорубіцин тільки при температурі вище за 37°C, а саме, при 40°C. Таким чином, маючи локальне джерело тепла, можливо досягти якісної та кількісної роботи антиракового препарату в кожній конкретній ділянці тіла.
Але, як я вже казав, наномедицина, це не тільки вирішення онкологічних проблем. Наприклад, для лікування діабету важливо розробити носій для білку інсуліну, який дозволить йому подолати деградацію від соляної кислоти в шлунку та слабку здатність всмоктуватися в малому кишківнику. Або, наприклад, рішення від нанотехнологій, які дозволять лікарським засобам подолати гемато-енцефалічний бар’єр.
Який механізм роботи наномедицини в людському тілі, опишіть будь ласка? Які инструменти потрібні, для того, щоб це контролювати?
Технічний аспект наномедицини полягає у створенні контрольованих по властивостях та дії на живий організм об'єктів, що за розміром у 1000 раз менше, ніж звичайна людська клітина.
Насамперед, наночастка повинна бути створена в лабораторії як модель у голові вченого. Тут ми повинні враховувати ту мету, якої прагнемо, та які властивості нам потрібно створити.
Наступним етапом є безпосередній синтез наночастки в лабораторії поряд із іншими молекулами, які прийматимуть участь в програмуванні фінального лікарського препарату. Це можуть бути різні природні або синтетичні полімери, що дають змогу наночастці вільно пересуватися по тілу, та не бути мішенню для імунної системи організму.
Наближення наночастинки до поверні ракової клітини. Показана взаємодія антитіл із специфічним рецептором на поверні клітини. Цей механізм дозволяє наночастинці розпізнати відповідну клітину
Для програмування наночастки також потрібні білкові комплекси та антитіла, які забезпечують потрапляння у ракову клітину. Як правило, використовують специфічні для даної ракової клітини антитіла. Наступним етапом є так зване тестування в умовах наближених до організму, або на ізольованих клітинах. Тут перевіряється рівень токсичності препарату та його летальні дози. Оскільки ми говоримо про контроль над дією препарату, то тести найчастіше проводяться у присутності і за відсутності тригера – наприклад, тепла, світла, лазера, магнітного поля. Після тестів на клітинах йдуть тести на більш складних моделях.
Принцип роботи наночастки у організмі є наступним: 1. Ін’єкція наночасток у тіло; 2. Пересування наночасток по тілу з метою акумулювання в сайті пухлини, так зване пасивне акумулювання, за рахунок того, що стінки судин мають розмір співрозмірний з наночасткою; 3. Накопичення наночасток всередині клітин пухлини, за рахунок того, що антитіло на поверхні наночастки діє як ключик, який відмикає клітину. 4. Контрольована дія наночастки починається за рахунок факторів ззовні, таких як світло, або тепло, або магнітне поле, які змушують наночастку до дії. Також наночастка може активуватися автоматично через різницю в pH в ракових клітинах, де рівень pH набагато нижчий, ніж у здорових клітинах; 5. Смерть ракової клітини.
Це і є технічні аспекти роботи наномедицини. Як правило, для створення подібних умов потрібні лабораторії з таким обладнанням як мікроскопи, біологічні модулі для роботи з клітинами та тваринами, хімічні лабораторії для синтезу наночасток.
А що скажете про вітчизняну науку, яке місце в ній посідає наномедицина?
Україна посідає 36 місце в світі по кількості наукових публікацій в області нанотенологій. Кожний рік таких публікацій стає все більше і більше. За останні роки цей показник був на рівні 3000 робіт. Також в рамках урядової програми «Нанотехнології та наноматеріали на 2011-2014» було виділено 1847,1 млн. гривень. Зараз діє програма від Національної Академії Наук України «Фундаментільні питання створення новітніх Наноматеріалів та Нанотехнологій на 2015-2019». Тобто, наша держава розуміє, що дослідження в цій області потрібно постійно підтримувати. У мене, м'яко кажучи, виникають питання на рахунок ефективності роботи даних коштів, але це системна проблема в українській науці.
Якщо говорити про персоналії, то наша країна володіє видатними талантами в наномедицині. Не можу не згадати мого товариша та колегу доктора біологічних наук Ростислава Білого із Львівського медичного університету та його розробки в області нанодіамантів та золотих наночасток для терапії раку та імунних захворювань. Серйозні дослідження ведуться вченими із Інституту експериментальної патології, онкології та радіобіології ім. Р. Є. Кавецького, а також під керівництвом професора Київського національного університету Ігоря Комарова над створення наночасток для фотодинамічної терапії, принцип якої ґрунтується на контрольованій дії світла.
Українськими вченими також розроблені наночастки на основі заліза та цисплатину, які вже зараз тестуються в фармацевтичних лабораторіях.
Повірте мені, є багато вчених, яким це цікаво. Звісно багато українців з-закордону працюють над цим напрямком. Між нашими вченими тут і там існує щільне співробітництво, а також обмін ресурсами та ідеями.
Питання про майбутнє: коли можна очікувати масового застосування наночасток в медицині?
Впровадження одного препарату в клініку – це десятки років досліджень та мільярди доларів. Також слід пам’ятати, що від моменту, коли відбувається відкриття, і до моменту, коли ці технології приходять масово в наше життя, може пройти 50-60 років. Подивіться на кремнієві транзистори, які були розроблені в 1930-х роках. Тільки зараз ми виходимо на пік можливостей цих технологій. Такі самі реалії чекають і на наномедицину.
Я також щиро сподіваюсь, що фармацевтичний бізнес буде сприяти виведенню наночасток на ринок, керуючись благом, а не меркантильними інтересами.
***
Зустрітись з Костянтином Турченюком можна буде 15 листопада у Львові на лекції про нанотехнології, що організовує креативний простір Betaplace за підтримки науково-популярного лекторію Public Science, що знайомить закоханих у науку з вченими та таємницями різноманітних наукових галузей.