Рафаил Нудельман - Неизвестное наше тело. О полезных паразитах, оригами из ДНК и суете вокруг гомеопатии...
Еще одни важные ворота в наше тело представляют собой легкие. Через них можно вводить лекарства как для лечения самих легких, так и для другие целей, требующих быстрого включения препарата в кровоток. Легкие состоят из микроскопических мешочков, альвеол, непосредственно связанных с кровеносными сосудами. Подобно тому как в процессе дыхания через альвеолы поступает в кровеносные сосуды кислород, так могут проникать в кровь и более крупные молекулы лекарственных веществ, в том числе и белковых. Проблема заключается в том, как увеличить при этом долю лекарства, попадающую по назначению.
Ум человеческий неугомонен и потому не ограничивается поиском возможностей введения лекарств извне. Сейчас исследователи разрабатывают также способы саморегулируемой доставки лекарственных веществ изнутри организма, причем в нужное место и в нужное время. Это не научная фантастика. Такие «разумные» системы подачи лекарств уже существуют, во всяком случае частично. Они умеют принимать химические сигналы извне и высвобождать лекарство в ответ на такие сигналы, непрерывно поддерживая его концентрацию в организме на нужном терапевтическом уровне. Задачу эту решают «микрочипы» (вроде тех, на которых работают все электронные приборы), содержащие несколько резервуарчиков, которые заполняются лекарством и покрываются шапочками из тонкой золотой фольги. Такой микрочип внедряется в нужное место организма, и в нужное время на него подается электрический сигнал, который растворяет одно или более золотых покрытий и высвобождает лекарство. Микрочип может быть имплантирован под кожу или в спинной или головной мозг для доставки любых лекарств, начиная от обезболивающих и до химиотерапевтических против опухоли. Опыты на животных показывают, что лекарства, подаваемые таким образом, не вызывают побочных эффектов. Системы, основанные на имплантированных чипах, могут содержать точное расписание потребности данного пациента в лекарстве или датчики, которые сами измеряют уровень лекарства в организме и в ответ на полученный результат высвобождают соответствующую новую дозу.
Что же касается самого нового раздела медицины — генной терапии, то и тут проблема доставки занимает центральное место. Сегодня, после расшифровки человеческого генома, становится вполне возможным изготовить искусственные копии подлежащего исправлению гена. После этого остается «только» ввести эти копии в клетки больного организма. Но это «только» оказывается серьезной проблемой. Чтобы доставить копии гена в нужные клетки, необходимо прицепить их к подходящим носителям, так называемым «векторам». Долгое время ученые использовали в качестве таких «векторов» специальным образом обезвреженные вирусы, но оказалось, что, несмотря на всю «обезвреженность», они сохраняют определенную опасность. Поэтому сейчас, параллельно с усилиями уменьшить риск вирусного «вектора», разрабатываются другие способы доставки генов, основанные на полимерах или жирных молекулах-липидах.
Американским ученым уже удалось ввести в организм кролика специфический ген, от которого зависит рост кровеносных сосудов, «обернув» его в полимер и липопротеин. Не за горами, надо полагать, и вовлечение в эксперименты такого рода людей, страдающих ишемическими заболеваниями сердца. Есть надежда, что введение этого гена стимулирует рост обходных кровеносных сосудов, которые будут доставлять кислород и питание обескровленным участкам сердечной мышцы.
Наномедицина — надежды и свершения
Нанотехнологии стали модой. На них возлагают большие, порой самые фантастические надежды, вплоть до быстрого превращения индустриально отсталых стран в передовые. Особенно радужными кажутся перспективы нанотехнологии в медицине. Кое-кто уже поговаривает о создании «наноботов» — микроскопических «умных» машин, которые будут проникать с кровью в любые закоулки человеческого тела и лечить там любые повреждения. Этим грядущим возможностям были недавно посвящены целых две международные конференции. Пока что, впрочем, таких «умных» машин еще нет, а вот применение обычных наночастиц в прикладной медицине уже открыло весьма многообещающие перспективы. Будучи введены в организм, они благодаря своим исключительно малым размерам легко проникают в нужные места и дольше, по сравнению с крупными частицами, не выводятся из организма. Другой полезной для медицины особенностью наночастиц является повышенное (опять-таки в сравнении с крупными частицами) отношение поверхности к объему. Это позволяет прицепить к их поверхности много различных химических групп, в частности, таких, с помощью которых они могут выборочно цепляться к рецепторам только определенных клеток.
Сегодня в медицине наметились два основных пути использования наночастиц. Одним из них является диагностика заболеваний на максимально ранней стадии. Примером такого применения наночастиц может служить новейший метод, разработанный группой ученых Лондонского университета под руководством Молли Стивенс. Он позволяет обнаружить малейшие количества ферментов, связанных с развитием той или иной болезни, обеспечивая таким образом чувствительную и быструю диагностику рака, СПИДа и ряда других заболеваний. Ферменты — это белки, которые синтезируются в тех и или иных клетках и многократно ускоряют протекающие в них реакции, сами не подвергаясь при этом химическим превращениям. Каждый фермент имеет один или несколько активных центров, с которыми связывается субстрат (превращаемое вещество). Эти центры образованы особыми химическими группами в молекуле фермента, которые расположены таким образом, что «распознают» только «свой» субстрат. Соединившись с активным центром, молекула субстрата претерпевает определенные изменения (разрыв одних и образование других химических связей) и превращается в новую молекулу. Клетки, пораженные той или иной болезнью, продуцируют свои специфические ферменты, что и создает принципиальную возможность их обнаружить.
Чтобы реализовать такую возможность, группа Стивенс использовала специальным образом приготовленные наночастицы золота размером порядка десяти нанометров. В состоянии взвеси они были соединены с введенными в раствор цепочками, состоящими из связанных друг с другом аминокислот. Такие цепочки называются пептидами. Присоединив пептиды к поверхности золотых наночастиц, исследователи получили возможность на следующем этапе соединить эти частицы друг с другом в некую «сеть», потому что каждый синтезированный ими пептид имел на другом своем конце особую химическую группу под названием «Fmoc», способную склеиваться с себе подобной на другом пептиде.
Лондонская группа применила эту сеть наночастиц для диагностирования рецидивов рака простаты. В марте 2010 года исследователи доложили об успехе эксперимента. Были выявлены мельчайшие следы особого фермента nACT-PSA, который производят пораженные клетки в случае рака простаты. Если простата удалена, то повторное появление этого фермента при анализе крови сигнализирует о рецидиве. Обычные методы анализа не позволяют заметить рецидив на ранней стадии, потому что количества фермента еще очень мало. Метод группы Стивенс позволил искусственно «усилить» этот сигнал опасности, причем в качестве «усилителя» исследователи заставили работать сам искомый фермент.
Вот как это происходит. Исходный раствор, содержащий «сеть» наночастиц, имеет голубой цвет. Если же к этому раствору во время анализа добавить даже единичные раковые клетки, он становится красным. Цвет меняется потому, что вновь появившиеся раковые клетки выделяют молекулы фермента nACT-PSA, который имеет свойства протеазы, то есть разрушителя пептидных связей. Как только эти молекулы разрушают связи между пептидами, «сеть» распадается, а поскольку при этом на концах освободившихся пептидов появляются положительные заряды, частицы отталкиваются друг от друга и рассеиваются в растворе. Из-за этого раствор и меняет цвет, что происходит даже при наличии в пробирке всего нескольких молекул фермента, потому что одна и та же молекула, покончив с одной пептидной связью, тут же принимается за другую и в считанные минуты разрушает всю «сеть». Таким образом появляется возможность диагностировать болезнь на самых ранних ее стадиях.
Еще одна медицинская функция наночастиц — это доставка нужных химических веществ в поврежденные места организма и использование их там для лечения. Так, ученые из американского университета Пердью недавно создали полимерные наночастицы (они назвали их «сополимерными микроклетками»), способные доставлять в нейроны спинного мозга такие химические препараты, которые стимулируют восстановление нервных окончаний в случае повреждений позвоночника. А исследователи из Хьюстона создали «умные фуллерены» (полые шарики из атомов углерода), внутри которых находятся молекулы белка, реагирующего на повышенный уровень глюкозы в крови, и жировые микрошарики, содержащие инсулин, которые «по сигналу» этого белка высвобождают инсулин в кровь.
