Время живых машин
Отрывок из книги известного нейробиолога Сьюзан Хокфилд «Время живых машин»
В ноябре издательство «Альпина нон-фикшн» выпустит книгу всемирно известного нейробиолога Сьюзан Хокфилд «Время живых машин. Биологическая революция в технологиях». По словам автора, мы находимся на пороге новой революции, когда в результате соединения открытий в области биологии с инженерным искусством появится множество поистине фантастических технологий следующего поколения.«Время живых машин» выходит в серии «Книги Политеха» (проект Политехнического музея с ведущими издательствами России). С разрешения издательства журнал «Будущее» публикует сокращенный вариант главы о наночастицах, способных обнаружить рак.
В 1971 г. США объявили войну раку, запланировав на следующие восемь лет мероприятия стоимостью $100 млн. Сегодня, когда позади осталось более 45 лет и $100 млрд, мы можем объявить о своем успехе в диагностике и лечении некоторых видов рака, но до победы в войне нам все еще далеко. Ежегодно почти 600 000 американцев и более 8 млн людей по всему миру умирают от онкологических заболеваний.
Самая эффективная стратегия борьбы с раком – это, конечно, его предупреждение. И с 1971 г. мы добились на этом поприще значительных успехов отчасти благодаря тому, что определили причины онкологических заболеваний и сократили использование канцерогенов. Но несмотря на то, чему мы научились, мы все еще подвергаем себя воздействию опасных веществ и отказываемся от вакцинации от вирусных инфекций. Согласно некоторым оценкам, более трети случаев онкологических заболеваний сегодня можно предотвратить. Но рак все равно каждый год будет угрожать миллионам людей. Мы все еще не знаем причин многих онкологических заболеваний, поэтому одна только профилактика не сможет уничтожить угрозу, которую они несут.
Следующая наилучшая стратегия борьбы с раком – это его ранняя диагностика, за которой следует эффективное лечение. Здесь мы также добились впечатляющих успехов. В последние десятилетия были разработаны новые, мощные методы визуализации и исследования крови, которые могут выявить онкологические заболевания на более ранних стадиях. Например, используя маммографию и колоноскопию, сегодня врачи могут обнаружить рак груди или рак толстой кишки гораздо раньше, чем это происходило в 1971 г. И такие скрининги в сочетании с последующим хирургическим вмешательством, химиотерапией и лучевой терапией значительно повысили выживаемость пациентов. За последние 40 лет пятилетняя выживаемость пациентов с раком груди выросла с 75 до более чем 90%, а у пациентов с раком прямой кишки – с менее 50 до более 65%.
Эти технические достижения представляют собой значительные победы, но большинство видов рака по-прежнему не удается обнаружить достаточно рано. Хотя различные онкологические заболевания ведут себя по-разному, современные методы визуализации при обследованиях обычно могут обнаружить скопления клеток, только когда они разрастаются до нескольких миллиметров или даже сантиметров в диаметре, и даже тогда изображения не могут дать информацию о том, является опухоль злокачественной или доброкачественной. Требуется подтверждение, и для этого применяются инвазивные методы биопсии и другие исследования. А все это стоит денег, время идет, и раковые клетки продолжают расти.
Методы визуализации и исследования крови, имеющиеся в нашем распоряжении сегодня, значительно более точны, чем 10 или 20 лет назад, но у них есть одни и те же ограничения: им не хватает чувствительности, чтобы определить раковую опухоль на самой ранней стадии, когда она представляет собой крошечное скопление клеток. Они недостаточно избирательны, чтобы выяснить, является ли найденное скопление злокачественным или доброкачественным, поэтому для подтверждения онкологического диагноза часто требуются инвазивные процедуры. Также эти методы дороги. Вместе все факторы серьезно ослабляют возможность бороться с раком наиболее эффективным образом, и в результате каждый год от него умирают миллионы людей. Чтобы перевести войну с раком на новый уровень, нам нужны более точные, безопасные, быстрые и дешевые способы ранней диагностики заболевания.
Благодаря недавнему открытию Сангиты Бхатии, биоинженера и врача по образованию, которая стала первооткрывателем в удивительном мире применения наночастиц в медицине, возможно, скоро у нас будут такие методы.
Бхатия разработала методику исследования мочи, которое может обнаружить рак на значительно более ранней стадии, когда клеточные скопления в 20 раз меньше, чем те, которые могут обнаружить лучшие современные методы визуализации. Этот тест, как надеется исследовательница, вскоре станет таким же быстрым, надежным и дешевым, как тесты на беременность, лежащие на прилавках всех сегодняшних аптек.
В последние десятилетия медики осознали, что они также могут использовать наночастицы. Для Сангиты Бхатии и других исследователей особенный интерес представляет последнее поколение наночастиц, которые можно собирать и обрабатывать бесчисленным множеством способов, чтобы превратить в новое поколение биомедицинских инструментов.
В 2006 г. исследовательница со своей командой сообщили об успешной группировке наночастиц в клеточной культуре посредством ферментов, а в 2009 г. продемонстрировали тканеспецифичную доставку и визуализацию наночастиц в селезенке и костном мозге.
Это была великолепная работа. Придумав гениальную комбинацию связывающих белков и удаляемый ПЭГ (полиэтиленгликоль) щит, который Бхатия называла «синтетическим биомаркером», ученые нашли успешный и практически осуществимый метод, чтобы заставить наночастицы сгруппироваться в целевой ткани. Это означало, что теперь они могут воспользоваться МРТ, чтобы заглянуть внутрь этой ткани. Если сканер найдет в ней патологический процесс, исследователи смогут переработать ту же стратегию работы с наночастицами, чтобы отправить конкретное лекарство непосредственно в саму ткань, где наночастицы сгруппируются, чтобы лекарство в высокой концентрации воздействовало в определенном месте, скоординированно и прицельно.
Метод Бхатии во всех отношениях применим для диагностики и лечения заболеваний различных органов тела – например, для обнаружения опухоли или отслеживания повреждения печени из-за прогрессирующего заболевания. Но Бхатия быстро обнаружила еще одно, менее очевидное его применение, которое первоначально не было в центре внимания. Исследовательница обнаружила, что ее новая технология наночастиц может обеспечить более быстрый и чувствительный метод диагностики рака и других заболеваний.
Врачи, которые обнаруживают единичную опухоль раковых клеток в одном месте, часто прибегают к хирургическому вмешательству или узконаправленной лучевой терапии, чтобы удалить опухоль или уничтожить ее. Но, когда злокачественное новообразование дает метастазы, работа осложняется, потому что многочисленные раковые клетки распространяются во множество мест, где их трудно найти и ликвидировать.
Метастазирование – одно из самых смертоносных свойств онкологических заболеваний. Чтобы распространиться на другие органы, раковым клеткам на своем пути нужно преодолеть естественный тканевый и молекулярный барьеры. Органы – это изолированные структуры с клетками, организованными с высокоточной архитектурой. Вторгаясь в нее, раковые клетки должны преодолеть молекулярные структуры органа, которые удерживают нормальные клетки в определенных местах. Чтобы расчистить в ткани место для вторжения, раковые клетки вводят в действие специальные ферменты, которые пробиваются через белки и другие молекулы.
Бхатия и ее команда поняли, что они, возможно, сумеют приспособить свой новый метод визуализации тканей так, чтобы «осветить» не только нормальные органы, для отслеживания их реакции на болезнь, но также и следить за болезнетворными клетками, в том числе и за развивающимся раком.
Если щиты, которые они использовали для того, чтобы предотвратить группирование наночастиц во время пути по кровотоку, снабдить фрагментами белка, который обычно «разрезают» раковые ферменты, не будет ли это означать, что связки могут быть отрезаны тогда, и только тогда, когда встретятся с раковыми клетками? Если это так, то ранее защищенные щитами белки выделятся и смогут связаться, заставив сгруппироваться прикрепленные к ним наночастицы на месте опухоли.
Это, в свою очередь, возможно, сделает рак видимым на МРТ гораздо раньше, чем с помощью уже известных методов. Чтобы проверить эту теорию, Бхатия и ее команда провели опыты и добились успеха: они смогли увидеть экспериментальные опухоли на МРТ. Это был настоящий триумф. И тогда они сделали открытие, которое повело их работу по совершенно иному, возможно потенциально более важному, пути.
Открытие произошло, когда они оценивали результаты своих экспериментов и заметили одну вызывающую недоумение деталь. Вдобавок к тому, что они, как и надеялись, увидели особый МРТ-сигнал на местах опухолей у лабораторных мышей, исследователи также обнаружили неожиданный флуоресцентный сигнал в мочевом пузыре мышей.
Проще всего было посчитать этот сигнал побочным продуктом эксперимента, который ничего не значит. В мочевом пузыре, в конце концов, накапливается моча, а моча – это поток отходов, которые естественным образом могут содержать элементы белковых щитов и связок, отфильтрованные почками в ходе их обычной деятельности. Но могли быть другие объяснения, и неожиданная находка поставила в тупик учеников Бхатии, испугавшихся, что необычный сигнал в мочевом пузыре указывает на то, что эксперимент провалился. Но, когда результаты принесли Бхатии, она увидела, что происходит кое-что необычное и интересное. «Моя медицинская подготовка подводила к тому, что нет никакого способа, которым наши полностью собранные наночастицы могли попасть в мочу, – сказала Бхатия. – Они просто слишком велики для того, чтобы пройти через фильтр в почках».
Исследовательница выяснила, в чем дело. Флуоресцентные метки, дающие сигнал в мочевом пузыре, не были связаны с неповрежденными наночастицами. Они состояли из прошедших через почки маленьких кусочков белковых связок, которые скрепляли щит ПЭГ с наночастицами. Команда Бхатии пометила связки, чтобы проследить за всеми сложными этапами эксперимента: вначале, чтобы удостовериться, что связки и щиты прикреплены к наночастицам, а потом – чтобы проследить за их путем по кровотоку к опухоли. Но ученые не сознавали, что, когда раковые ферменты расщепляют белковую связку, удерживающую щит ПЭГ, получившиеся в результате фрагменты достаточно малы, чтобы пройти через фильтр почек в мочу, где они, все еще флюоресцируя, собираются в достаточной концентрации, чтобы стать видимыми.
Как только Бхатия поняла, что происходит, она осознала, что команда ученых открыла биологический механизм, который потенциально может обеспечить простой и надежный способ очень ранней диагностики рака. Если дело действительно обстоит так, это будет революционным клиническим прорывом.
За годы после открытия Бхатия модернизировала свой диагностический тест, и теперь он работает, как те тесты на беременность, что лежат на аптечной кассе. Это неинвазивный и недорогой анализ с очень высокой чувствительностью, которая действительно производит впечатление. Напомню, что сегодняшние методы визуализации и анализы крови могут обнаружить опухоль только в том случае, если она имеет размер не меньше 1 см. Бхатия считает: ее метод может обнаруживать опухоли размером менее 5 мм. Поскольку для некоторых видов опухолей могут потребоваться годы, чтобы вырасти от 5 мм до 1 см, обнаружение и лечение таких маленьких новообразований даст врачам отличную фору в борьбе со злокачественными заболеваниями.
Чтобы ускорить клинические исследования этой новой значительной технологии, Бхатия основала компанию под названием Glympse Bio. Разработка готового к выходу на рынок теста мочи ожидается в 2020 г. Бхатия и ее коллеги планируют развить ряд новых диагностических технологий, способствующих раннему обнаружению не только рака, но и многих других видов заболеваний. «Мы тратили так много времени и средств, чтобы не дать нашим пациентам умереть на поздних стадиях болезни, – сказала мне исследовательница, – но многие заболевания мы могли бы вылечить, если бы обнаружили их раньше, пока они еще не стали неизлечимыми».
В своих поисках исследовательница не одинока – у нее есть множество преданных делу коллег. Например, ученые исследуют наночастицы, которые будут медленно доставлять помещенное в них лекарство, обеспечив длительное лечение после одного укола против рака или других болезней, или наночастицы, несущие набор контрастных веществ, повышающих мощность аппарата для ультразвукового исследования или МРТ.
В ближайшие десятилетия все ускоряющееся слияние наноинженерии и биологии даст нам новые технологии, которые сегодня мы даже не можем себе представить, нанотехнологии, полностью изменяющие то, как мы осуществляем лечение и профилактику заболеваний и боремся с болезнями. Бхатия нисколько не сомневается в этом. «Будущее, – говорит она, – начинается с малого».