Узбекистан, Ташкент – АН Podrobno.uz. Почему здоровые родители могут передать ребенку наследственное заболевание? Как выращенные в лаборатории клетки помогают заживлению ран? Что происходит внутри нервной клетки при болезни Паркинсона и после отравления угарным газом? Эти и другие вопросы изучают в Центре передовых технологий Академии наук Узбекистана, где работают специалисты разных направлений — от молекулярной генетики до биофизики и биотехнологии.
Podrobno.uz изучил, как устроена эта работа: от исследования ДНК и наблюдения за живыми клетками до поиска новых молекул и разработки биологических препаратов. Одни проекты помогают раскрыть механизмы развития заболеваний, другие уже проходят экспериментальную проверку, а третьи готовятся к переходу от лабораторных исследований к производству.
Что расскажет геном узбеков?
Центр передовых технологий в лаборатории молекулярной генетики запустил проект "1000 геномов". Ученые собирают образцы крови жителей разных регионов страны, чтобы изучить генетические особенности населения и сформировать национальную базу данных. Геном можно сравнить с огромным собранием инструкций, по которым развивается и работает организм. Большая часть этих инструкций у людей совпадает, но отдельные участки различаются.
Шахло Турдикулова, директор центра, доктор биологических наук, рассказала, что, например, "мутации, приводящие к развитию диабета, у нас иные, нежели у европейцев или китайцев. На сегодняшний день 78 % геномных исследований проведено на материале европейских популяций. В то же время Китай, Корея и Япония активно занимаются секвенированием собственных геномов, пополняя массив данных по Восточной Азии. Для Центральной Азии этот показатель составляет всего 0,1 %." Поэтому встает проблема изучения генетического разнообразия узбекской популяции и создания собственной базы данных, которая поможет исследователям и врачам точнее интерпретировать результаты анализов.
Один из вопросов проекта – как формировалась узбекская популяция. История региона связана с миграциями, торговыми путями и встречами разных народов. Генетические данные позволяют искать следы этих процессов, сопоставлять происхождение участников и изучать связи между популяциями.
Чтобы полученные данные можно было осмыслить, одного образца крови недостаточно. Участники заполняют анкету: исследователей интересуют места рождения родителей и старших родственников, семейная история заболеваний, питание, физическая активность и другие особенности жизни.
Сопоставление этой информации с генетическими вариантами помогает понять, какие связи заслуживают дальнейшего изучения.
По данным центра, первые тысячу полных геномов планируется прочитать к началу 2028 года. В ближайшие два-три года проект должен охватить три тысячи участников, а в будущем – миллион. Сбор образцов организуют совместно с Министерством здравоохранения в разных регионах страны.
Зачем нужен собственный генетический справочник?
Международные генетические базы представляют население мира неравномерно. По словам сотрудников центра, данных о жителях Центральной Азии в них пока недостаточно.
Это имеет практическое значение. Вариант, который редко встречается в одной популяции, в другой может быть распространен шире. Результаты исследований и диагностические инструменты, созданные на основе одной группы населения, требуют проверки при использовании в другой.
Поэтому ученым важно установить, какие варианты встречаются у узбекской популяции, с какой частотой и что известно об их связи со здоровьем. Алишер Абдуллаев приводит такой пример. "Вы обратили внимание, что в Узбекистане, особенно в Ташкенте, еда пересоленная? Люди не чувствуют соли, потому что у них есть варианты в генах. И человек, соответственно, потребляет больше соли, а это может привести к развитию артериальной гипертензии. Или возьмем подбор терапии для людей, которым нужно разжижать кровь. От варианта в генах зависит то, какой препарат на него будет лучше действовать."
Лаборатория уже исследовала генетические факторы сердечно-сосудистых заболеваний и диабета второго типа. Сотрудники лаборатории сообщили о разработке и апробации экспериментальной панели из 516 маркеров, опробованной на 273 участниках. Отдельное исследование в Каракалпакстане охватило 801 человека и было связано с изучением гипертонии.
Эти работы предшествуют новому масштабному проекту и создают для него исследовательский задел. Однако обнаруженный вариант не всегда означает, что человек обязательно заболеет. Для оценки его значения важны другие генетические особенности, состояние здоровья и условия жизни.
К примеру, есть два человека, у которых абсолютно одинаковые варианты в генах, которые ответственны за развитие сахарного диабета. Оба находятся в группе риска. Однако один человек живет в идеальных условиях, не подвергается стрессу, ведет здоровый образ жизни. А второй все время находится в условиях стресса, неправильно питается, употребляет очень много нежелательных продуктов. Соответственно, у второго возникнет сахарный диабет, а у первого он может до конца жизни и не появиться.
То есть само прочтение ДНК еще не является лечением. Сначала необходимо понять, какое изменение действительно связано с заболеванием и как оно нарушает работу организма. Такие знания могут помочь уточнить диагностику, определить необходимость наблюдения и в отдельных случаях подобрать лечение.
Узнать о риске до рождения ребенка
Одной из предполагаемых практических разработок проекта станет панель скрининга носительства наследственных заболеваний.
Человек может быть здоров, но иметь вариант гена, который способен передать детям. Если оба будущих родителя – носители вариантов, вызывающих одно аутосомно-рецессивное заболевание, риск его развития у ребенка составляет 25 % при каждой беременности.
Именно такие ситуации исследователи хотят помогать выявлять при планировании семьи. По официальным данным, почти каждый десятый ребенок с врожденными пороками и наследственными болезнями в Узбекистане рождается в браке близких родственников, а в Сурхандарьинской области – почти каждый третий. Лаборатория разрабатывает панель скрининга носительства, которая учитывает особенности именно нашего населения. Результат обследования должен обсуждаться с врачом-генетиком, который объяснит значение находки и возможные дальнейшие действия.
Полностью читать геном каждого человека для целевого обследования необязательно. После исследовательского этапа ученые планируют отобрать информативные участки ДНК и создать специальный чип, проверяющий именно их. Предполагается, что такой анализ будет быстрее и дешевле полного секвенирования.
Пока это задача проекта. Состав будущей панели, сроки ее внедрения и стоимость еще предстоит определить.
Как клетки помогают восстанавливать ткани?
В лаборатории клеточных технологий работают с другой задачей: изучают возможности восстановления уже поврежденных тканей. Здесь работают с четырьмя типами клеток: стволовыми клетками крови, стволовыми клетками из пуповины, фибробластами клетками, которые строят кожу, и NК- клетками – защитниками иммунной системы.
Весь путь от получения клеток до их применения у пациента лаборатория освоила первой в Узбекистане.
При тяжелом ожоге или длительно незаживающей ране собственных ресурсов организма может оказаться недостаточно. Пересадка кожи тоже имеет ограничения: для нее нужен здоровый участок, с которого можно взять ткань, а это создает дополнительную рану.
Один из подходов, над которыми работают в Центре, связан с выращиванием клеток вне организма. Например, из небольшого фрагмента кожи выделяют фибробласты – клетки, участвующие в формировании тканевого каркаса. Их размножают в стерильных условиях и проверяют перед дальнейшим применением.
Оксана Чарышникова, заместитель директора по науке, рассказывает о пациенте с тяжелым ожогом руки, которому пять раз пересаживали кожу, но трансплантаты не приживались. При следующей попытке врачи использовали выращенные фибробласты, после чего пересадка оказалась успешной. У другой пациентки из-за тяжелой инфекции омертвела большая часть кожи лица. После применения стволовых клеток ткани восстановились за 45 дней.
Всего сообщается об экспериментальном применении клеточных продуктов более чем у 20 пациентов с разрешения этического комитета. Среди направлений – ожоги, хронические и гнойные раны, повреждения тканей лица и челюсти. В частности, возможно использование продуктов лаборатории для восстановления клеточного состава роговицы глаза, при лечении сухого глаза, а также при трансплантации зубов и т. д.
Такие случаи дают основания продолжать исследования. Чтобы метод стал широкодоступным, необходимо систематически оценивать его эффективность и безопасность, определять показания и требования к клеточному продукту. В Центре говорят и о необходимости развития нормативной базы для этой работы.
Главный источник стволовых клеток – пуповина и пуповинная кровь, которые остаются после родов. Обычно эту ткань просто утилизируют, хотя в ней содержатся одни из самых сильных стволовых клеток. Лаборатория получает их только с письменного согласия матери и превращает то, что шло в отходы, в лечение.
Здесь также формируют биобанк – коллекцию живых клеток человека. По данным лаборатории, с 2019 года в нем собрали более 1200 образцов. Материал хранят при температуре около минус 196 градусов для дальнейших исследований и возможного применения.
Отдельное направление связано с NK-клетками – участниками иммунной защиты. Лаборатория освоила их выделение и размножение и готовит дальнейшие исследования.
Еще одно направление работы лаборатории – изучение и получение экзосом- крошечных пузырьков, с помощью которых общаются клетки. В них лежат сигналы "чинить ткань". Идея простая: взять только эти посылки, без самих клеток. Это одно из самых новых направлений в мировой медицине: лекарств на основе экзосом пока нет ни в одной стране, и ученые всего мира сейчас учатся их получать. Лаборатория уже освоила выделение экзосом и разрабатывает на их основе экспериментальные медицинские и косметические продукты.
Почему погибают клетки мозга?
В лаборатории экспериментальной биофизики исследуют процессы, которые могут привести клетку к гибели. Среди направлений – болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и ишемический инсульт.
Руководитель лаборатории Артем Баев объясняет работу через процессы, происходящие внутри клетки. Особое внимание ученые уделяют митохондриям – структурам, которые помогают обеспечивать ее энергией.
Исследователей интересуют ранние нарушения. Внешние симптомы заболевания могут появиться тогда, когда часть клеток уже утрачена. Поэтому важно понять, что происходило до этого и на каком этапе еще можно попытаться вмешаться.
За сложными терминами стоит последовательность вопросов: что повреждает клетку, как развивается это повреждение и какое звено можно изменить, чтобы уменьшить ее гибель?
Баев говорит, что болезни мозга в 10 % случаев – это наследственные формы, но они проявляются достаточно рано. Все остальное – это старение организма. Правда, по его мнению, с каждым годом новые мутации обнаруживаются в других генах, которые тоже могут приводить к заболеваниям мозга.
Проверка ответа требует разных методов и совместной работы специалистов. Только после этого можно переходить к поиску вещества, способного повлиять на обнаруженный механизм.
Что происходит после отравления угарным газом?
Другой проект лаборатории связан с проблемой, особенно актуальной в холодное время года, – последствиями отравления угарным газом.
Рано Маджидова – молодая исследовательница – рассказывает: ее интересует повреждение, которое может продолжаться после восстановления поступления кислорода. Ученые изучают процессы, связанные с возможными отдаленными нарушениями памяти и поражением нервной и сердечно-сосудистой систем.
Работа ведется на нейронах, астроцитах – других клетках нервной системы – и клетках сердечной мышцы.
По словам исследовательницы, подавление определенных ферментативных процессов позволило в эксперименте заметно снизить гибель клеток. Это еще не готовый способ лечения людей, но результат помогает выбрать направление дальнейшего поиска.
В поиске новых соединений центр использует и компьютерное проектирование. С помощью вычислительных методов, включая искусственный интеллект, ученые разрабатывают пептиды – короткие цепочки аминокислот, которые могли бы взаимодействовать с выбранной мишенью.
После компьютерного этапа молекулу необходимо получить и проверить экспериментально.
Как живые клетки производят лекарства?
В биотехнологии клетка может стать не только объектом исследования или материалом для восстановления тканей, но и производителем нужного вещества.
Многие привычные лекарства получают химическим синтезом. Для производства ряда биологических препаратов используют живые клетки. Им передают генетическую инструкцию, по которой они вырабатывают необходимый белок.
Биологические лекарства уже применяются в медицине.
Одно из направлений лаборатории биотехнологии – моноклональные антитела. Эти белки распознают определенную молекулу-мишень и связываются с ней.
В лаборатории работают над технологиями получения трех видов белков. Разработки находятся на разных этапах, поэтому говорить о трех готовых отечественных препаратах пока нельзя.
Для получения антител используют специальные клеточные линии. Исследователи отбирают продуктивные клетки, подбирают питательную среду и условия выращивания, разрабатывают способы выделения и очистки белка.
Сложность состоит в том, чтобы получать продукт с необходимыми свойствами стабильно, от партии к партии.
Это не означает, что биотехнологические препараты лучше любых других лекарств. У них свои мишени и показания. Отличается прежде всего способ получения и характер самого действующего вещества, а требования к доказательству эффективности и безопасности остаются необходимой частью разработки.
От небольшого образца к производственной партии
Для отработки таких процессов на базе центра создан научно-производственный комплекс CATBIOTECH.
Здесь клеточные культуры выращивают в биореакторах, затем выделяют нужный белок, очищают его и готовят лекарственную форму. Следующий этап – асептический розлив.
По данным центра, проектная мощность – пять миллионов флаконов в год. Первые продуктовые направления – противогриппозная вакцина и трастузумаб – белок-антитело, который применяют при лечении некоторых видов рака молочной железы. Он блокирует сигналы роста опухолевых клеток и привлекает иммунную систему для борьбы с ними.
В комплексе начаты работы по лицензированию и сертификации. Выход препаратов на рынок будет зависеть от завершения разработок и необходимых регуляторных процедур.
Так, за общими словами о развитии науки проступают конкретные задачи: собрать данные о геноме узбекской популяции, понять механизм повреждения нервной клетки, проверить результат восстановления тканей и добиться стабильного получения лечебного белка.
У каждой задачи свой срок. Генетическая база должна помочь точнее читать результаты анализов, клеточные исследования – проверить возможности новых подходов, а производственная площадка – подготовить технологию, которую можно будет воспроизводить за пределами лабораторного опыта.
Подготовила Чулпан Кадырова
Комментарии отсутствуют