Рожденные ядерной физикой

К середине нашего века традиционную медицину может заменить наномедицина, которая позволит лечить людей более эффективно и «адресно», основываясь на индивидуальных особенностях больного. Основы для этого закладываются уже сейчас, на стыке наук: нанобиотехнологий, генетики, ядерной медицины

Еще 70 лет назад Игорь Курчатов предвидел, что ядерная физика станет основой для развития множества новых научных направлений. Например, ядерная медицина появилась в середине прошлого века благодаря именно атомному проекту и базируется на важнейших открытиях фундаментальной физики. Курчатовский институт стоял у истоков ядерной медицины, и сегодня здесь ведутся исследования не только в области ядерной физики, но и медицины будущего. Сегодня ядерная медицина, в которой для диагностики и терапии используются стабильные, обогащенные радионуклиды, является крайне перспективным направлением. Уникальная инфраструктура Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» дает очень широкие возможности в области производства радионуклидов и радиофармпрепаратов.

Методы диагностики

Современная аппаратура Курчатовского центра ядерной медицины позволяет детально визуализировать состояние обследуемого организма. На практике это выглядит так: врач вводит пациенту инъекцию радиофармпрепарата и отправляет на обследование, после чего на компьютер поступает трехмерная картинка с полной информацией об исследуемом органе.

В начале следующего года в институте откроется центр позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). При помощи специального оборудования (ПЭТ/КТ-томографа) можно будет отслеживать распределение в организме биологически активных соединений и получать детальные изображения органов и систем человека. Помимо этого здесь будет использоваться еще один метод диагностики — магнитно-резонансная томография.

По словам начальника научно-технологического комплекса молекулярной визуализации, кандидата наук Николая Марченкова, ПЭТ помимо диагностики позволяет очень точно спланировать радионуклидное лечение. Рассчитав размеры и форму опухоли, можно безошибочно определить дозу, необходимую для лечения, при этом излучение не будет выходить за границы опухоли и не нанесет вреда организму.

Кроме того, в Курчатовском институте ведутся активные исследования в области производства радионуклидов медицинского назначения, их адресной доставки. Николай Марченков уверен, что новые методы диагностики перспективны не только с медицинской, но и с экономической точки зрения. «Подсчитано, что каждый доллар, вложенный в ядерную медицину, возвращается двумя с половиной – тремя долларами, – считает ученый. – В стационарах пациентов становится меньше, жизнь улучшается. Если все это учитывать, то окажется, что затраты на ПЭТ-диагностику не просто окупаются, но дают хороший экономический эффект».

Недавно в Центре ядерной медицины Курчатовского института появилось еще одно направление – тераностика. Это метод, когда наночастица в одном препарате работает и для диагностики, и для терапии. Например, ведутся исследования по применению золота для диагностических и терапевтических целей. В обычных условиях золото – инертный химический материал, но в наномасштабах этот элемент проявляет высокую химическую активность. Прикрепив к золотой наночастице «транспорт», который поможет доставить ее к месту назначения, и направив на этот участок в инфракрасном спектре волну определенной длины, можно проследить путь «груза». Под воздействием излучения золото начинает светиться, а если направить более мощный пучок, то оно нагревается и происходит внутренняя термотерапия.

«Мудрые» лекарства

Ядерная медицина позволяет не только проводить раннюю и очень точную диагностику, но и разрабатывать методы «точечного» поражения больного органа путем «адресной» доставки лекарств. И тут помогают разработки в области нанотехнологий. Такое «умное» лекарство имеет в составе наночастицу, способную отличить здоровые клетки от больных и доставляющую препарат к определенному месту, не причиняя вреда здоровым тканям. По мнению специалистов, в скором будущем этот метод значительно дополнит применение химиотерапии в борьбе с раком.

Подобные исследования проводятся на стыке наук – медицины, физики, химии, биологии в рамках Курчатовского центра нано-, био-, инфо-, когнитивных и социогуманитарных наук (НБИКС-центра) и продолжают традиции междисциплинарности научных исследований, заложенные еще Игорем Курчатовым.

Курчатовский НБИКС-центр был создан всего три года назад под руководством Михаила Ковальчука – директора Курчатовского института. Глобальная цель этого уникального центра – синтез «природоподобных» систем и процессов, а в перспективе и создание антропоморфных (человекоподобных) технических систем.

Совсем не случайно новейший мировой научный тренд конвергенции НБИК-технологий развивается в крупнейшем ядерно-физическом центре страны: многопрофильная технологическая инфраструктура, многолетние наработки в самых разных областях науки, междисциплинарные научные школы – все это составляет мощную базу для развития прорывных, инновационных направлений, в том числе в области биомедицины.

Искусственные органы

Не так давно в медицине появилось новое направление – трансплантология, связанное с пересадкой донорских органов. Этот метод стал настоящей революцией и начал быстро развиваться, поскольку нередко именно он становится единственным способом сохранения человеческой жизни. Однако метод сталкивается со множеством трудностей. Зачастую успех операции зависит от того, как быстро удается найти донорский орган, что получается далеко не всегда, нередко возникают проблемы его совместимости с организмом. Возникает также множество этических и юридических проблем.

Поэтому несколько лет назад ученые задумались о том, что медицина может развиваться и по другому пути: замещать человеческий орган биоискусственным, созданным на основе матрикса и клеток пациента, что сократит сроки ожидания операции, а также позволит увеличить совместимость. Так начались эксперименты по созданию искусственных органов, которые, по мнению ученых, являются одними из самых перспективных исследований в области медицины. Над решением проблемы работают крупнейшие научные центры США, Японии и Европы. Эту задачу решают и российские ученые из лаборатории полимерных материалов Курчатовского НБИКС-центра.

В лаборатории полимерных материалов уже созданы материалы, пригодные для применения в регенеративной медицине в качестве матрикса, «каркаса» для клеток. На основе нетканого материала, служащего основой для выращивания клеток, из которых состоит человеческий орган, в лаборатории был создан прототип искусственной трахеи. В мире уже проводились операции по пересадке такой трахеи, и выяснилось, что приживаемость у нее лучше, чем у донорской.

Каркас трахеи создается на специальной установке путем нанесения ультратонких волокон на заранее изготовленный шаблон. Затем полученный каркас засеивается клетками пациента и помещается в биореактор, в котором в специальных условиях клетки размножаются. «Для ее производства не нужно много времени: на компьютере создается 3D-модель трахеи, затем ее изготавливают из ультратонкого волокна методом электроформования. В готовый каркас добавляют факторы роста, лекарственные вещества – и продукт готов к следующей фазе: наращиванию клеточной составляющей биоискусственного органа», – пояснила научный сотрудник лаборатории, кандидат химических наук Алевтина Кулебякина.

Сейчас, когда эта технология еще недостаточно распространена, искусственные трахеи производятся в единичных экземплярах и не используются для операций у нас в стране. Ученые сталкиваются с законодательными проблемами, не позволяющими быстро внедрить новую разработку в медицинскую практику.

Биоматериалы

В лаборатории также создали нетканые, губчатые и пленочные материалы для лечения ожогов на разных этапах лечения: транспортировки больного с места происшествия, обработки раны и восстановления кожного покрова. «Наши материалы могут быть применены как для того, чтобы помочь таким пациентам дожить до стационара, когда дорога каждая минута, так и для дальнейшего восстановления», – рассказывает инженер-исследователь лаборатории Ольга Богданова. По ее словам, в планах лаборатории исследования по созданию материалов для других жизненно важных органов. Крайне важно, что все работы проводятся в тесном сотрудничестве как с биологами, работающими в НБИКС-центре, так и с клиницистами из лечебных учреждений.

Еще одна новейшая разработка специалистов Курчатовского института в области материалов для биомедицины – полимерные губки, которые уже сейчас успешно используются не только для лечения ожогов, но и как кровоостанавливающее средство при операциях. Они способны наполнять ткань лекарственными и обезболивающими веществами и со временем полностью впитываться в кожный покров.

Российские ученые также работают над новыми материалами на основе губок, получаемых из хитина и хитозана – основного структурного элемента панцирей ракообразных. По оценке Ольги Богдановой, хитозановые губки являются ноу-хау курчатовской лаборатории: «Они применяются для повязок, обладают прекрасными абсорбирующими свойствами, а самое главное – прекрасно биосовместимы с организмом человека». Разрабатываемые в этой лаборатории полимерные материалы имеют большие перспективы применения и в биомедицине, и для различных материалов, например, для сенсоров нового поколения.

Подобных по набору современного оборудования лабораторий в мире очень мало, важно и то, что «под боком» находится Курчатовский источник синхротронного излучения – незаменимая мегаустановка для исследования структуры материалов. Не стоит также забывать и о широких возможностях взаимодействия с «белковой фабрикой», геномной, нейрофизиологической лабораториями, также объединенными структурой НБИКС-центра.

Дистанция огромного размера

К сожалению, несмотря на новейшие разработки, которые уже созданы российским учеными, в нашей стране существует проблема с дальнейшим продвижением инновационных проектов. Поэтому вопрос, когда запасные органы и «умные» таблетки поступят в массовое производство, пока остается открытым. «В западных странах научное открытие, как правило, финансируется из многочисленных венчурных фондов, – объясняет начальник отделения кристаллографии и материаловедения Курчатовского НБИКС-центра Сергей Чвалун. – Проект доводят до уровня модели, которую можно продать. Если он конкурентоспособен, то сам стартап становится небольшой компанией или его покупает крупная фирма и делает своим подразделением».

Эффективность вложения средств невысокая: из 100 % всего 10% будут успешными. Но в будущем эти 10% с лихвой компенсируют все неудачи. В нашей стране пока нет таких венчурных фондов и инвестиционных менеджеров. Инвесторы предпочитают более краткосрочные проекты с быстрой отдачей. А в медицине это невозможно. Вот и получается, что если государство не выделяет из бюджета средства на научные исследования, то судьба проекта незавидна.

«Новые технологии в нашей стране сложно внедряются в жизнь из-за двух факторов», – убежден Владимир Минаев, проректор по учебной работе Российского нового университета. – Во-первых, у нас тот, кто изобрел, сам должен это претворять в жизнь. Ученый, вместо того чтобы трудиться в лаборатории, десятилетиями пытается продвинуть свое детище. Второй фактор, по мнению эксперта, – набившие оскомину откаты, из-за чего легче запатентовать и продать изобретение за рубежом, чем в России.

Есть и еще одна причина. В «лихие 90-е», когда НИИ в России закрывались, западные ученые не сидели без дела. И если в ядерной медицине нашим ученым удалось, опираясь на мощную междисциплинарную школу фундаментальной физики, сохранить позиции, то в производстве инновационного медицинского оборудования российским изобретателям сложно конкурировать с крупными иностранными корпорациями. С ними сегодня может конкурировать только государство. Вот почему необходима господдержка отечественных компаний и разработок, четкое законодательство в области инновационной деятельности. Чтобы проекты, разработанные в российских научных институтах, как можно скорее поступили на вооружение к врачам и спасали жизни россиян.