Современные технологии таковы, что их даже сложными не назовешь - они скорее странны, по крайней мере на взгляд постороннего человека. Приземленная задача - сделать имплантируемый протез. Однако ученые из ГУ НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи изобретают принципиально новый имплантат. В нем используют и титан, специально изготовленный на авиационном заводе, и факторы роста стволовых клеток, подготовленных с применением последних разработок молекулярной биологии, генной инженерии и наноструктурной сборки на поверхностях.
Вывернутые суставы, торчащие из разорванных мышц осколки кости, удар в позвоночник - и неподвижность, часто кровь, иногда инвалидность и всегда - боль. Все это характерные признаки перелома костей - основы человеческого организма. Хорошо, если лечение перелома ограничивается гипсом на месяц-другой. Хуже, если нужна имплантация протеза. Совсем плохо, если этот протез, как правило титановый, отторгается и врачи, покачав умными головами, говорят: «Вам, батенька, нужна повторная операция». Это как минимум очень больно.
Придумать, как заживить кость быстро и по возможности безболезненно, - задача современных технологий.
Важен не размер
У него гладкий череп, крепкая шея, основательные размеры, очень серьезные глаза и хорошая улыбка. Владимир Лунин - завлаб, руководитель проекта, без пяти минут лауреат и так далее. Он сидит напротив меня, через стол, я собираюсь задать ему неудобный вопрос и потому говорю крайне неуверенно:
- Ваша лаборатория ведь называется... э-э-э... В общем, там есть слово «нано»...
- Биологически активных наноструктур, - подсказывает он.
- Ну да... Так вот, сейчас это как-то неприлично звучит. Считается, что нанотехнологи... такие... жулики от науки. Вам самому-то как?
Почему я задал этот вопрос? Под нанотехнологиями в последнее время понимают любые исследования всего, что маленькое. Биотехнологи вдруг стали нанобиотехнологами, материаловеды - наноматериаловедами, даже нанокосметика появилась, а отдельные авторы поговаривают о наносапиенсах. А еще появилась госкорпорация «Роснано» с бюджетом в 130 млрд рублей, которые не тратятся, а уже больше года лежат на счетах в целях сохранения для одобренных проектов. За год, кстати, эта корпорация утвердила всего два проекта, что мне лично дает повод сомневаться в разрекламированной эффективности и будущем расцвете российской наноиндустрии, что бы это слово ни означало. Я - и не я один - подозреваю, что слово «нано» вброшено в российскую экономическую действительность специально для того, чтобы было непонятно, куда исчезнут деньги. Именно поэтому я с недоверием отношусь к любой организации, использующей префикс «нано». Нет, ну в самом деле!..
С другой стороны, Лунин мне симпатичен, вот и получается, что вопрос - неудобный.
Но он молодец, вопрос принимает серьезно и так же серьезно отвечает:
- Понимаете, важны критерии отбора. С одной стороны, любой белок - это 10 нанометров, а вирусная частица - допустим, 40. Но размер не единственный критерий. Нанопродукт - это продукт, который самособирается. Вы скажете: а что тут сложного? Любой живой организм - это наноструктуры: на нижнем уровне из молекул создаются органеллы, из органелл - клетки, из клеток собирается человек. Но для нанотехнолога важно уметь контролировать эти процессы.
Составные части
Титановые пластинки размером с ноготь расфасованы в пластиковые пакетики. Перед началом эксперимента их нужно стерилизовать - сначала ультразвуком, а затем высокой температурой в автоклаве. Потом пластинку покрывают композитным материалом - этим и занят сейчас Александр Семихин, младший научный сотрудник и аспирант лаборатории Лунина.
Природа устроила так, что к месту перелома мигрируют стволовые клетки, постепенно формируя там новую костную ткань. В случае с протезом ткань должна нарастать поверх титана, но делает она это довольно плохо, поскольку в своей эволюции никогда с титаном не сталкивалась.
Цель лунинского проекта - «научить» клетки принимать металл как естественную кость. Для этого делается правильный рельеф с двумя видами впадинок. В макрорельефе впадинки имеют размер 10-100 микрон, чтобы клетка легла туда, как шарик в лунку, в микрорельефе - нанометровые, чтобы клетка могла запустить свои отростки и закрепиться.
Затем этот рельеф покрывают тем самым композитным материалом. Композит по составу похож на наши кости - коллаген и гидроксилапатит (соединение кальция).
- Проблемой было придумать клей, чтобы композит держался на титане, - говорит Александр. - Мы брали пластинки, наносили раствор, а потом помещали в воду и ставили на качалку. В первых опытах у нас через час все смывалось - в воде, а теперь помещаем на неделю в сыворотку крови - а ведь это очень агрессивная среда, - и ничего, держится.
Лунин говорит, что это первое ноу-хау лаборатории - придумать, как приклеить композит к протезу.
Но главное ноу-хау, конечно, другое - факторы роста стволовых клеток.
Стволовые клетки могут превращаться в любую ткань любого органа. И мечта медиков - с их помощью обновлять попорченные жизнью части организма. Например, лечить рубец от инфаркта, заживлять ожоги, восстанавливать островковые клетки, производящие инсулин, и так далее. Здесь есть два пути. Первый - изъять стволовые клетки человека, размножить их в пробирке, а потом опять вколоть в поврежденные ткани. Второй путь - активировать и привлечь собственные стволовые клетки организма. Для этого применяют так называемые факторы роста, по химической природе - белки.
Фактор роста
В комнате, где работает Зоя Галушкина, вкусно пахнет агаром. Вообще, если в генно-инженерной лаборатории нигде нет запаха разогретых питательных сред, значит, работа стоит. В старых институтах этот запах за десятки лет въелся в стены и присутствует повсюду, начиная с вестибюля.
Зоя Михайловна высевает бактерии для выращивания в больших количествах - процедура, известная, наверное, еще со времен Пастера: прокаливаем на горелке проволочную петлю, делаем мазок по бактериальной колонии в чашке Петри, опускаем петлю в колбу с питательной средой. Колбу ставим на механическую качалку при температуре 37°C, где она сутки будет качаться, среда - перемешиваться, а бактерии - размножаться. Вместе с бактериями будет размножаться и встроенный в них ген фактора роста человеческих клеток. Благодаря этому гену бактерии начнут синтезировать фактор. Фактически мы используем бактерии как фабрики биологических веществ.
Факторы роста организм вырабатывает для того, чтобы в нужном органе из стволовых клеток выросла нужная ткань. Сейчас известны десятки факторов, но в медицине применяются очень немногие.
В проекте лаборатории предполагается использовать несколько видов факторов. Первые будут привлекать стволовые клетки к поврежденному месту. Вторые - стимулировать их к закреплению на поверхности протеза. Третьи необходимы для роста клеток. Четвертые - и самые важные - это факторы дифференцировки, те, что «убеждают» стволовые клетки трансформироваться в костную ткань. А для того чтобы уже эти клетки костной ткани размножались, на протез наносится костный морфогенетический протеин.
- И как вы собираетесь все это в одно целое увязывать? - спросил я у Владимира Лунина.
- Это правильный вопрос. Знаете, ведь ростовые факторы уже пытались использовать для заживления, но результаты получались не очень хорошие. Дело в том, что эти молекулы быстро вымываются: они малых размеров. А нам нужно, чтобы одни из них вымывались быстро, а другие прочно сидели на поверхности протеза. Но это как раз по профилю лаборатории - мы умеем разными способами «связывать» белки с различными веществами. В составе композита факторы будут держаться столько времени, сколько нужно для заживления.
Спасибо медузам
Под бинокуляром микроскопа ярко-зеленым светом флуоресцируют эмбриональные клетки почечного эпителия. Красота нереальная - спасибо зеленому флуоресцирующему белку, или, по-простому - GFP, который вырабатывают медузы вида Aequorea victoria. Впрочем, с тех пор как его приспособили для нужд клеточной биологии, гены этого белка размножают внутри бактерий. Потом вставляют в нужные клетки, а по свечению белка смотрят, что с этими клетками происходит. Вот как я сейчас наблюдаю результат опыта по привлечению человеческих клеток на шарики, покрытые факторами роста.
- Помещаем образец под микроскоп, убираем обычную подсветку, оставляем ультрафиолет, - объясняет Амир Тухватулин, младший научный сотрудник, аспирант лаборатории молекулярной биотехнологии. - Светятся только клетки, которые несут в себе GFP. Видите?
Затем так же здесь будут проверять, насколько уютно себя чувствуют клетки на титановых пластинках с покрытием. Говорят, когда клетка только садится на поверхность, она выглядит как шарик, а когда приживется - распластывается.
Лаборатория молекулярной биологии находится в том же здании института, что и лаборатория биологически активных наноструктур.
- Проектом занимается только ваш институт? - задаю вопрос, разумеется, Лунину, когда мы возвращаемся в его кабинет.
- Семь только официальных соисполнителей! В одном месте титан обрабатывают, в другом - делают протезы для челюстно-лицевой хирургии, в третьем - коллаген, в четвертом - ставят опыты на крысах...
- А финансирование? Это же дорого, наверное?
- Нам выделили сто сорок миллионов рублей на три года. Система сейчас как устроена? Каждый год Министерство образования и науки собирает заявки от тех, кто хочет сформулировать конкурсные лоты. Те заявки, которые нравятся экспертам и чиновникам, проходят. Не все, конечно, так хорошо и объективно, но объективность есть: те лоты, которые решают какие-то задачи страны, имеют шансы. Начинается открытый конкурс. Тот, кто формулирует лот, выигрывает с большей вероятностью, но не со стопроцентной. И в случае с имплантатами, кстати, мы, написав заявку, попали лоб в лоб с той организацией, которая формулировала лот. Проекты оказались по силам равные и оба очень интересные. У нас сильная биологическая часть, у них - металлическая. В конце концов дали финансирование обеим программам, записав нас друг к другу в соисполнители.
...За окном кабинета на газончики института имени Гамалеи падают белые кристаллы - продукт природных нанотехнологий, описанный еще Кеплером в трактате «О шестиугольных снежинках». Лунин рассказывает мне, что уже через два года его лаборатория должна произвести полноценный продукт, готовый к применению. Должно быть организовано производство компонентной базы и конечного препарата, пройден первый этап клинических испытаний. А в перспективе - использование тех же технологий не только в имплантатах, но и, допустим, для обкалывания шейки бедра пожилым людям - для укрепления костей.
Если смотреть шире, то управление ростовыми факторами в медицине - один из путей почти любой терапии. Разумеется, не единственный, а в комплексе с еще не придуманными технологиями. Вторая природа уже догнала по сложности первую и свои шестиугольные снежинки умеет собирать ничуть не хуже.
Алексей Торгашев, корреспондент отдела «Науки» журнала «Русский репортер»
Фото: Арсений Несходимов