Биотехнологии — одна из областей, которую почти всегда включают в перечень самых перспективных. И Украина может нарастить потенциал в этой сфере. В конце сентября в инновационном парке UNIT.City прошел форум Single-cell RNABIO, на котором ученые из США, Германии, Испании и Австралии делились опытом современных методов исследований в медицине и биологии.
Организовали это событие украинские ученые Ника Гурьянова и Алина Фролова вместе с лабораторией быстрого прототипирования FabLab Fabricator. Алина работает в Институте молекулярной биологии и генетики НАН Украины, а Ника как раз во время подготовки форума перешла из Института физиологии имени Александра Богомольца в Университет штата Юта в США, где будет проводить исследования в статусе постдока. Кстати, сама Ника признается, что отважиться поехать на два года в другую страну было не самым простым решением. Она объясняет его так: «Вместе с украинскими коллегами мы обсудили это и решили, что лучше поехать, поучиться, потом вернуться и делать правильно, а не набивать здесь свои шишки».
Открывал форум Алекс Щегловитов, ученый родом из Украины, который более десяти лет работает в США, где в его лаборатории в штате Юта одними из первых в мире вырастили органоиды коры головного мозга (интервью с Алексом в ближайшее время читайте в «Дне»). Помимо лекций проходили и практические занятия. Например, вместе с изобретателем из Нью-Йорка Уильямом Стефенсоном участники события собрали прибор, необходимый для первого этапа эксперимента по секвенированию генетического материала единичных клеток. Как объясняют организаторы, эта новая технология позволит глубже понять строение живых организмов и органоидов. В целом такие технологии могут помочь нам продвинуться в понимании и разработке лечения, скажем, болезни Альцгеймера или онкозаболеваний. Как проходят такие исследования и как эти инновации могут прижиться в Украине, мы расспросили Нику ГУРЬЯНОВУ.
«НИША ДЛЯ УКРАИНЫ — АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ»
— Почему вы с Алиной решили, что проекты по выращиванию искусственных мини-органов являются актуальными для Украины? Какое здесь поле для работы?
— Желание что-то делать исходит не от возможности что-то делать, а собственно от желания. Поэтому на первом плане был научный интерес. Речь идет о действительно чрезвычайных методиках, в сущности, направленных на решение проблемы, которой «болеют» все биологи, — гетерогенности (то есть неоднородности. — Авт.) клеток. Это было основной причиной, почему мы захотели этим заняться.
Тема с выращиванием искусственных органоидов классная в том плане, что объединяет много аспектов из разных сфер, это биология, медицина, разработка оборудования и анализ данных. «Мокрая» биология, когда в специальной среде выращивают клетки и органоиды, — это очень дорого. Еще есть «сухая» биология — анализ данных, биоинформатика и т.п. Мы начали искать подход со стороны биоинформатики. С одной стороны, это вроде бы и последний этап в общем процессе, ведь сначала в «мокрой» лаборатории создают образцы, получают данные и уже потом их анализируют. Но в случае Украины есть два фактора, которые говорят о том, что нужно начинать с последнего этапа. Во-первых, это касается финансового обеспечения. Создать лабораторию, где проводятся исследования высокого качества, — это миллионы долларов. Плюс это нужно постоянно поддерживать. Все клетки, с которыми мы работаем, тоже хотят есть, а их еда дороже нашей, ведь все должно быть очень стандартизировано. Аппаратная часть, разработка приборов — это уже реальнее в Украине, но чтобы использовать это оборудование, у нас должна быть «мокрая» часть.
Анализ данных и их интерпретация — идеальная ниша для Украины в настоящий момент. Во-первых, это не нуждается в очень больших ресурсах. В сущности, нужны люди, их обучение и компьютеры. Во-вторых, у потенциальных партнеров в Европе и Соединенных Штатах есть огромное количество лабораторий, они получают огромное количество данных, и для них главный лимитирующий фактор — анализ и интерпретация полученных результатов. Работа с анализом данных нуждается в определенных навыках и довольно длительном времени. Поэтому за рубежом обычно заинтересованы в такой коллаборации, когда они продуцируют данные, и есть люди, которые их анализируют.
Для Украины преимущество еще и в том, что у нас до сих пор есть много людей, которые хорошо разбираются в математике и могут разрабатывать новые и совершенствовать имеющиеся алгоритмы анализа данных и т.п. Поэтому в Украине есть большая перспектива для такой работы. А начиная с этого, можно прийти ко всему остальному.
— То есть сначала речь идет о работе скорее для математиков?
— Не только. Чтобы заниматься анализом данных, использовать определенные алгоритмы или складывать алгоритмы в так называемые последовательности действий, не обязательно быть математиком, многие биологи делают это. А вот разрабатывают новые алгоритмы обычно математики.
«БЫЛО БЫ ИДЕАЛЬНО, ЕСЛИ БЫ УЧЕНЫЕ ПРИЕЗЖАЛИ СЮДА РАБОТАТЬ»
— На какие результаты форума вы рассчитываете?
— Вот почему нельзя сразу начать с выращивания мини-органов? Нужно иметь инструменты, чтобы работать с этим дальше. Это же не просто мини-органы ради мини-органов, их фишка в том, что они живые, мы можем за ними наблюдать, делать секвенирование единичных клеток и т.п. И пока нет задачи под реализацию этих проектов и инструментов для их реализации, то нет смысла просто выращивать мини-органы. Это как построить ракету, которую ты не собираешься запускать.
Задача этой конференции — положить начало созданию ниши, вокруг которой будет строиться нужная для таких технологий инфраструктура. Моя голубая мечта — чтобы в Украине появилось научное место, куда было бы интересно приезжать людям со всего мира, которые работают в этой тематике. Когда ученые приезжают даже просто рассказать о чем-то, это уже имеет достаточно большое влияние на других людей. И было бы идеально, если бы эти ученые приезжали сюда работать.
Анализ данных и их интерпретация — идеальная ниша для Украины в настоящий момент. Во-первых, это не нуждается в очень больших ресурсах. В сущности, нужны люди, их обучение и компьютеры. Во-вторых, у потенциальных партнеров в Европе и Соединенных Штатах есть огромное количество лабораторий, они получают огромное количество данных, и в то время как для них главный лимитирующий фактор — анализ и интерпретация полученных результатов, это «горлышко бутылки» для нас. Работа с анализом данных нуждается в определенных навыках и довольно длительном времени. Поэтому за рубежом обычно заинтересованы в такой коллаборации, когда они продуцируют данные, и есть люди, которые их анализируют. Для Украины преимущество еще и в том, что у нас до сих пор есть много людей, которые хорошо разбираются в математике и могут разрабатывать новые и совершенствовать имеющиеся алгоритмы анализа данных и т.п. Поэтому в Украине есть большая перспектива для такой работы. А начиная с этого, можно прийти ко всему остальному.
В любом университете мира есть ротация, люди ездят из Европы в Штаты или наоборот, что чрезвычайно обогащает их научные идеи и культуру работы и сотрудничества. А в Украине больше распространен выезд в одном направлении. Хочется, чтобы был и въезд.
— А какие исследования по теме сейчас проводятся в Украине?
— В Украине сейчас таким не занимаются. Есть несколько преимущественно частных лабораторий, которые выращивают 3D-культуры. Существует много лабораторий, которые выращивают обычные культуры клеток, — это выглядит как чашка Петри, где в среде растут одним слоем клеточки, то есть это 2D. Понятно, что наши органы преимущественно 3D. В Украине есть определенные лаборатории, которые работают в направлении создания 3D-культур и их исследований, но не знаю людей, которые бы занимались именно органоидами. Так же нет секвенирования единичных клеток.
Фактически, наша конференция — мостик между мечтой и началом работы.
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
— А чем вы будете заниматься в Юте?
— Я буду работать в лаборатории Алекса Щегловитова, мы будем использовать органоиды коры головного мозга, чтобы исследовать комбинацию таких патологий, как аутизм и эпилепсия. Моей задачей будет интегрировать функциональную активность клеток и регуляцию экспрессии генов в этих клетках (экспрессия генов — процесс, при котором наследственная информация в генах используется для синтеза функционального продукта, белка или РНК. — Авт.). Это так называемое секвенирование РНК единичных клеток, которое позволяет исследовать все РНК с разрешением в одну клетку. Соответственно, если мы найдем ассоциацию между функцией клетки, а все они разные, и транскриптомом клетки, а они тоже разные и гетерогенные, то получим более полную картинку и поймем, что не так у пациентов с мутацией, которую мы исследуем.
Раньше это было невозможно, потому что получить, грубо говоря, кусок мозга человека для исследований можно было только, когда он умер или ему сделали операцию. При аутизме операций не делают, при эпилепсии — иногда, но помимо этого наука всегда должна работать с контролем, а кто даст для опытов свой здоровый мозг? Поэтому выращивание органоидов позволяет исследовать органы, которые мы не могли иметь раньше.
Плюс заболевания, которые мы исследуем, интересны тем, что подавляющее большинство событий, которые их предопределяют, происходят в период эмбрионного развития. А органоиды, в сущности, и проходят эти стадии, но в пробирке — от клеток, которые вовсе не имеют отношения к нейронам, и до развития структуры, которая функционирует как кора головного мозга. Это почти идеальная модель для таких исследований.
О ПЕРСОНИФИЦИРОВАННОЙ МЕДИЦИНЕ
— Как работа с такими материалами регулируется законом — в Украине и Америке?
— Боюсь, что в Украине это никак не регулируется. В Украине можно прийти в клинику, где вам спокойно вколют ствольные клетки. В действительности такое могут сделать во многих странах, но лучше это регулировать. В Соединенных Штатах все зарегулировано.
Впрочем, для наших исследовательских целей мы и так ничего не вводим человеку, только врачи берут или клетки крови — в сущности, это анализ крови, или клетки кожи, что также малотравматично. Мы берем эти клетки, превращаем их в нейроны, в дальнейшем — в органоиды, то есть 3D-структуры, которые напоминают головной мозг, и это позволяет понять, что там не так, найти мишень для потенциальной терапии и протестировать ее. В сущности, это модель для разработки и тестирования препаратов.
Следующая ступенька — персонифицированная медицина, когда мы сможем взять клетки конкретного человека — меня, вас и т.п. — вырастить из них орган или ткань, на котором нужно протестировать чувствительность к определенному препарату, и понять, будет ли работать это же для этого человека, перед тем как пробовать лечение непосредственно на нем. Особенно это актуально при опухолевых или тех же неврологических заболеваниях, когда пробуют разные препараты. Нередко врачи работают по такой схеме: сначала попробуем это, а если оно не сработает или возникнут побочные эффекты, то пойдем дальше, попробуем это, а затем это и это. И пока человек пробует разные лекарства, которые не работают, его заболевание прогрессирует, плюс побочные эффекты могут ухудшить его состояние.
— Но действие лекарств на биоматериал, выращенный в лаборатории, может отличаться от действия собственно на человека?
— Конечно. Когда мы тестируем препарат в пробирке, используем, например, органоид, это, условно, как взять мозг и что-то на него капать. Но при этом нет печени, которая перерабатывает препарат, белков крови, которые его связывают, почек, которые его выводят. Во время опытов мы все внимательно контролируем, нам важно понимать, что мы применили такую-то дозу и она работает. Сказать на 100%, что если это сработало на органоиде, то сработает и на человеке, нельзя. Но вероятность, что это сработает, намного выше, чем когда препарат тестируют на животных, например, на мышах или крысах.
ВЫРАСТИТЬ ИЛИ НАПЕЧАТАТЬ?
— Сам форум проходит в лаборатории быстрого прототипирования FabLab Fabricator, в сущности, среди 3D-принтеров и другого современного оборудования. Как сегодня развивается использование 3D-печати для создания искусственных клеток и органоидов?
— Множество лабораторий в мире работают над этим, это голубая мечта многих. Есть определенные успехи, особенно когда это касается печати, условно, простых тканей, например хрящей уха. Это классический пример первых успешных трансплантаций — когда напечатали хрящ и «подсадили» его человеку. Но с печатью сложных органов ситуация отличается. Мозг еще никто не осмелился печатать, пытались печатать почку, сердце — много всего. Насколько знаю, огромного успеха здесь пока нет.
Сейчас для 3D-принтинга обычно можно использовать ограниченное количество субстратов. А наши клетки, ткани и т.п. состоят из очень большого количества субстратов. И намного легче вырастить органоид, чем его напечатать. Когда мы выращиваем органоид, то даем клеткам возможность реализовывать их запрограммированную работу. Просто нам нужно создать для них соответствующие условия: предоставить питательные вещества, сигнальные молекулы и условия, необходимые, чтобы они самоорганизовывались и создали нам нужную структуру.
Думаю, для большинства, и для меня тоже, природа этого процесса очень сложна. Сделать это искусственно намного сложнее, сейчас, думаю, невозможно.
«ЭТИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ НЕ ВИЖУ. СКОРЕЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ»
— Что сейчас больше ограничивает ученых: технологическая составляющая или биоэтика?
— Конечно, говорят о биоэтике относительно органоидов, например, мозга. Вдруг у них есть сознание, вдруг они что-то чувствуют. Я не знаю об этом и именно этических ограничений здесь не вижу. Есть ограничения технические, скорее биологические. Органоиды, которые Алекс выращивает в лаборатории, вырастают довольно большими как для органоидов, 6 миллиметров. В целом есть и большие. Но последующий их рост останавливается, в частности потому что нет сосудов. Также мозг человека развивается в определенных условиях, растет череп, который создает определенное давление, — есть даже сугубо физические вещи, которых сейчас достичь в пробирке довольно трудно. Возможно, со временем это станет реальным.
— Вы упоминали в начале о дорогом питании искусственных клеток. А что они «едят»?
— Клетки, кстати, вообще-то настоящие, просто их искусственно превратили в тот тип клеток, который нам нужен. Питаются они питательной средой, или средой для культивирования, в сущности, она состоит из тех же веществ, которые едим мы с вами, это аминокислоты, углеводы и т.п. Но важно определенное соотношение — столько-то одних аминокислот, столько-то других, такой-то уровень кислотности. Это набор элементов, биоорганических и нет, которые нужны для поддержки жизнедеятельности клеток, определенный набор сигнальных молекул, которые в нашем случае будут подталкивать клетки становиться нейронами. Все это должно быть очень стандартизировано. Если вы будете кормить одинаковые клетки по-разному, то они и станут разными или вообще умрут. Одно дело есть салат, другое — мороженое, все, как у людей.
