Нанолюминофоры – светящиеся метки для стволовой клетки

Дискуссии вокруг применения в медицине клеточной и тканевой терапии, в том числе стволовых клеток, достигли нешуточного накала. Одни видят в ней будущее медицины XXI века, другие, несмотря на сообщения об успехах, сомневаются в ее эффективности, а третьи и вовсе отвергают.

Дело в том, что взаимодействие живого организма со стволовыми клетками и их производными носит достаточно сложный, неоднозначный характер и у специалистов до сих пор нет ответов на многие вопросы о механизме такого взаимодействия. Какие именно клетки более эффективны при лечении? Всегда ли они попадают точно по «адресу», то есть в очаг болезненных изменений? Если да, то приступают ли к «ремонту» повреждения или погибают? Без точного знания о происходящих процессах трудно говорить о широком применении этого перспективного вида терапии в практике здравоохранения.

Прорыв в изучении поведения клеток сделали харьковские специалисты – они разработали метод, с помощью которого впервые оказалось возможным воочию увидеть, как «работают» целебные клетки после их введения в живой организм.

Клетка, я тебя вижу!

Чтобы получить ответы на поставленные вопросы, свои научные и технические ресурсы объединили две академические структуры – НТК «Институт монокристаллов» и Институт проблем криобиологии и криомедицины. Ученые использовали современные люминесцентные нанотехнологии – им удалось создать и нанести на клетки особые метки, которые не только сигнализируют люминесцентным свечением о местоположении своих хозяек, но и рассказывают об их состоянии.

Результаты уникальных экспериментов, которые открывают новую главу в исследовании биологии тканевых и клеточных биоматериалов, были представлены на научной конференции «Актуальные вопросы бионанотехнологий» Северо-Восточного научного центра НАНУ. Она состоялась в Харькове под сопредседательством двух академиков НАНУ – физика Владимира Семиноженко и медика Валентина Грищенко.

Внешне эксперименты выглядят просто. В одном из них в пробирку со стволовыми клетками, взятыми у лабораторной крысы, добавили метки-люминофоры. Они способны «сесть» на живые клетки, зафиксироваться на их поверхности и при определенных условиях начать светиться зеленым светом, как микроскопические люминесцентные лампочки. Потом у этой же крысы смоделировали инсульт, ввели ей меченые клетки в хвостовую вену и стали ждать результатов. Когда через десять дней ученые исследовали срез мозга животного под люминесцентным микроскопом, то обнаружили, что основная масса меченых клеток (на снимке ниже они выглядят более светлыми) не только собралась в нужном месте – точно в очаге повреждения, – но и начала активно делиться, восстанавливая и залечивая тем самым пораженную ткань мозга.

Благодаря нанолюминофорам впечатляющую картину свечения живых клеток можно увидеть собственными глазами с помощью флюоресцентного микроскопа и запечатлеть на фото.

Интереснейшие результаты ученые получили и в других опытах с мечеными клетками – при патологии сетчатки глазного яблока, при ожогах кожи и травматических поражениях суставов. Хотя на первый взгляд эксперименты выглядят просто, на самом деле они проводились на стыке двух новейших областей исследований – люминесцентных нанотехнологий и клеточной терапии. Каждая из которых, как говорил поэт, «езда в незнаемое».

Светлячок чуть больше молекулы

Люминофоры – это вещества, обладающие способностью излучать свет определенной длины волны после возбуждения, например, после воздействия ультрафиолетовым светом, электрическим разрядом или электронным пучком. Примеров их использования – масса. От люминесцентных ламп и электронно-лучевых трубок телевизоров до флуоресцентных красителей. Такой способностью обладает, в том числе, всем известный нафталин, который может светиться голубым светом. Возбуждение молекул некоторых веществ может произойти и в результате естественного протекания химической реакции в живом организме. Всем известный пример – светлячки.

А вот в ответ на мою просьбу найти материалы по ключевому слову «нанолюминофор» всезнайка Google ответил: «Не найдено ни одного документа, соответствующего запросу».

– Что такое нанолюминофоры? – спрашиваю профессора, доктора наук, заведующего отделом нанодисперсных материалов НТК «Институт монокристаллов» Ю.Малюкина.

– Это те же люминофоры, но в виде частичек величиной всего 5 нанометров, то есть миллиардных долей метра («нано» – греческое слово, означающее «карлик»), – объяснил Юрий Викторович. – Для сравнения: размер атомов или простейших молекул составляет около 0,1 нанометра, а биологической клетки – 20 тысяч нанометров. Размер нанолюминофора – принципиальная вещь. Дело в том, что в «карликовом», наноразмерном состоянии многие вещества меняют свои свойства. Например, если слиток золота – один из самых инертных материалов желтого цвета, то пылинки золота величиной несколько нанометров обладают свойствами катализатора и имеют красный цвет.

– Как создаются нанолюминофоры?

– Механическое дробление материала здесь не годится – нужны наночастички, которые обладают абсолютно одинаковыми размерами и заданными свойствами. Мы разработали технологии получения органических и неорганических нанолюминофоров, в основе которых лежит эффект самоорганизации молекул. Производятся нанолюминофоры – а это могут быть кристаллы, полимерные сферы, цилиндры или трубки – в небольших объемах. В граммах, а то и миллиграммах. При обычном освещении они выглядят как мельчайшая белая пудра. Из всех известных наноматериалов нанолюминофоры занимают достаточно узкую нишу. Однако способность к люминесценции и взаимодействию с такими биологическими системами, как клетка, ее отдельные структуры, ДНК и РНК, делает их важным инструментом исследования в микробиологии и медицине.

– А не вредны ли нанолюминофоры клетке или живому организму в целом?

– Все метки, которые мы используем в экспериментах с клетками, практически нейтральны для живого организма. К тому же, чтобы окрасить популяцию клеток объемом один кубический сантиметр, нанолюминофоров требуется в десятки тысяч раз меньше. Они не видны невооруженным глазом.

– Каковы перспективы использования нанолюминофоров, которые синтезируются в НТК «Институт монокристаллов», в других областях медицины?

– Перспективы очень большие. Помимо Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ мы работаем также с учеными Института молекулярной биологии и генетики НАНУ и Киевского национального университета им. Т.Шевченко в области исследований взаимодействия нанолюминофоров с ДНК и РНК. Намечаем пути сотрудничества со специалистами Института экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии НАНУ, Института нейрохирургии АМН, Института травматологии и ортопедии АМН. Кстати сказать, еще в 1998 году журнал Science прогнозировал, что первое практическое применение нанотехнология найдет именно в биологии и медицине.

Все сокровища криобанка

В отличие от нанолюминофоров, благодаря СМИ о стволовых клетках наслышаны многие. В последнее время они стали объектом активных исследований ученых в научных центрах разных стран мира. Неудивительно, что на такой запрос Google выставил список из 857 тысяч документов!

Напомню, что стволовые клетки, которые лежат в основе клеточной и тканевой терапии, являются своего рода строительными базовыми единицами организма, способными трансформироваться в разные виды клеток. Они содержатся в тканях и органах любого человека, однако в разных количествах – у молодых их много, а у людей преклонных лет – мало. Ученых привлекает их умение находить в организме очаг болезни и восстанавливать пораженное место. Однако жизнь клеток вне организма коротка. Поэтому несмотря на то, что они были обнаружены русским ученым А.Максимовым еще в начале прошлого века, условия для их изучения и использования появились значительно позже – когда ученые придумали, как стволовые клетки замораживать, а потом при необходимости оттаивать, чтобы они остались живыми и здоровыми.

Одним из мировых лидеров в этой области науки является Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ в Харькове, при котором создан Низкотемпературный банк биологических объектов, признанный национальным достоянием Украины. Здесь в условиях глубокого холода хранятся тысячи препаратов тканей и клеток, на основе которых разработаны методы клеточно-тканевой терапии в схемах лечения ряда тяжелых заболеваний.

– Какие новые возможности открывает перед медиками использование нанотехнологий? – с этим вопросом обращаюсь к директору института академику В.Грищенко.

– Наши специалисты и раньше использовали метки для клеток, но это были не нанолюминофоры. В экспериментах клетки брали у донора одного пола, вводили реципиенту другого пола и прослеживали их судьбу по половым хромосомам, разным у мужчин (ХY) и женщин (XX). Однако светящиеся наночастицы впервые дают возможность получить наглядную картину миграции клеток и их функционирования при введении в живой организм, в том числе организм человека. Так, наша сотрудница Елена Гончарук наносила лабораторным животным на места травм и ожогов особый гель – это были клетки, которые впустили нанолюминофоры внутрь себя и дали возможность прикрепиться к митохондриям. По свечению таких внутренних меток можно было наблюдать поведение клеток непосредственно в процессе их жизнедеятельности, например во время деления. Это очень интересные результаты.

– Каким образом клетки, введенные в хвостовую вену подопытного животного, нашли очаг поражения в мозгу?

– Это удивительное явление специалисты назвали «хоуминг» (от английского слова home – дом). Пока мы не умеем посылать клетки точно в цель, как посылку по адресу. Дело, однако, не только в том, чтобы клетки дошли до места назначения, важно, в каком состоянии они пришли, смогли ли там остаться, адаптироваться и начать действовать. Возможно, те случаи, когда клеточная терапия не оказывает ожидаемого лечебного действия, объясняются тем, что клетки по какой-то причине осели в другом месте или не начали делиться. Но даже в случае гибели клеток содержащиеся в них биологически активные вещества могут оказывать благоприятное действие на окружающие ткани больного организма, определяя тем самым лечебный эффект.

Существует гипотеза, что в очаге поражения появляются некие вещества, «призывающие» на помощь клетки именно той разновидности, которые нужны для восстановления пораженной ткани. Мы уже научились превращать безликие стволовые клетки в нейроноподобные для лечения инсультов. Разработана методика преобразования стволовых клеток в кардиомиоциты – для лечения сердца. Хотя, с другой стороны, есть работы с нашим участием, когда больным при инфаркте миокарда вводили просто стволовые клетки и они помогали сердцу выздоравливать. В этой области медицины есть еще немало вопросов, на которые, как мы надеемся, помогут ответить нанотехнологии.

– Можно сказать, что количество стволовых клеток в организме – это показатель биологического возраста?

– Стволовые клетки – своего рода золотой запас, которым снабдила нас природа. Но с возрастом он истощается, поскольку постепенно тратится на восстановление клеточных элементов, которые гибнут в течение жизни в связи с износом, болезнями, травмами и так далее. Вот почему и возникла идея по мере необходимости пополнять этот запас извне, использовать стволовые клетки для лечения и омоложения. Она как раз и лежит в основе клеточно-тканевой терапии, которая стала одним из наиболее перспективных методов и направлений медицины будущего.

К процессу активных исследований этого направления подключается все большее число специализированных научных центров как в Украине, так и во всем мире. На эти цели в развитых странах выделяются огромные финансовые средства – и государственные, и частные. Идет напряженная конкурентная борьба, что мы, кстати, видим и по упорным попыткам так или иначе дискредитировать работу ученых нашего института. Зато и выигрыш будет огромным – те страны, которые внедрят использование стволовых клеток в клиническую практику, станут лидерами в профилактике и лечении наследственных и приобретенных заболеваний. Они смогут значительно увеличить продолжительность активного периода жизни своих соотечественников. Пока в этой конкуренции мы имеем существенные преимущества перед западными странами.
                 ***
– Общая тенденция развития материаловедения за последнее столетие направлена на переход от создания массивных материалов, работающих на макроуровне, к миниатюрным, действующим на уровне отдельных молекул и наноструктур. Именно из таких «материалов» состоят живые организмы. Поэтому вполне логично, что новые нано– и молекулярные материалы находят свое применение в первую очередь в биологии и медицине, – комментирует результаты экспериментов академик Владимир Семиноженко. – Так, в НТК «Институт монокристаллов» НАНУ работают всемирно известные научные коллективы, специалисты которых создают материалы, способные работать не только на клеточном уровне, но и на уровне отдельных компонентов клеток и отдельных биомолекул. В то же время Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ имеет громадный опыт в области изучения и использования клеточных тканей. Поэтому и возникла идея использовать наработки наших двух коллективов для проведения совместных исследований в этой области.

Примечательно, что эти эксперименты можно было задумать, поставить и проанализировать только в содружестве ученых разных специальностей. Помимо специалистов из Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ это биологи Юрий Микулинский и Елена Щегельская из диагностической лаборатории «Вирола», нейрохирург Владимир Пятикоп из Харьковского медицинского университета, офтальмолог Юрий Демин из Медицинской академии последипломного образования, физик Юрий Малюкин и химик Игорь Боровой из НТК «Институт монокристаллов».

За последние годы медико-биологическое материаловедение стало одним из главных направлений работы нашего института. Специалисты исследуют структуру компонентов нуклеиновых кислот, способности некоторых высокомолекулярных соединений доставлять лекарства в заданные места организма, разрабатывают методы иммуноферментного анализа и тест-систем на различные заболевания.

Валентина Гаташ, «Зеркало недели» № 1-2007