Что представляют собой современные нано-, био-, информационные и когнитивные технологии? Почему их развитие сегодня особенно важно? Какие существуют разработки в нашей стране? Какие болезни они смогут лечить? Об этом рассказывает кандидат медицинских наук Елена Владимировна Петерсен, руководитель Центра биомедицинских технологий Института биофизики будущего МФТИ.
Интегральные подходы
Современные биотехнологии интегральны — это их главная особенность. Геномные, нано-, био- и когнитивные технологии сейчас, с одной стороны, опираются на свои фундаментальные заделы, с другой — берут очень много из соседних областей.
В первую очередь это, конечно же, технологии искусственного интеллекта, использование различных нейросетей, позволяющих обрабатывать большие массивы данных и за счет этого выходить на новый результат.
Проведение генетического типирования, например микроорганизмов, также нашло свое применение в различных областях. Это и агробиотехнологии, где изучают почвенные микробные сообщества, которые могут улучшить состав почвы и помочь росту и выживанию определенных сельскохозяйственных культур, и горнодобывающая промышленность, где по микробным маркерам определяют состав пород и перспективность разработок. Для биологических и медицинских технологий генетические исследования также становятся обязательным стандартом.
Дальнейшее развитие технологий должно привести к еще большему взаимопроникновению, что сможет вывести исследования на новые неочевидные находки.
Е.В. Петерсен: «Наш Институт биофизики будущего ориентирован на решение задач биомедицинских технологий среднего и дальнего горизонта планирования, которые в настоящий момент не только не имеют решений, но и не сформированы понятийно в полной мере. Так, например, одна из задач, поставленная нашим научным руководителем академиком Вадимом Марковичем Говоруном, — разработка подходов к определению и поддержанию состояния нормальности человека с точки зрения физиологических процессов и когнитивных функций. Это очень интересная и сложная тематика, в процессе изучения которой будут появляться новые технологические разработки в области как диагностики, так и подходов к коррекции патологически протекающих процессов, нарушающих эти показатели нормальности».
Искусственный мозг
Абсолютно новым и глобальным в этой области научных исследований стало расширение границ возможностей того, что можно исследовать на клеточном уровне, в условиях in vitro.
Любой физиологический процесс можно рассматривать как на уровне целого организма, так и на клеточном, молекулярном уровне. Для каждого из них описаны свои виды исследований. Однако в последнее время можно наблюдать значительный сдвиг от организменного уровня к клеточному, где исследования проводят на сложных клеточных или тканевых моделях.
Так, например, появились статьи, где в клеточных моделях из нейральных клеток определили молекулярные субстраты, влияющие на формирование памяти и процесс обучения. Ведутся работы по поиску молекулярного субстрата сознания. Активно развивается направление биологических искусственных нейронных сетей — конструкции из нейральных клеток, которые объединяются в сеть. Подобно тому как это устроено в нашей голове, они могут осуществлять передачу сигналов в соответствии с клеточной иерархией или специальными условиями, задаваемыми им учеными. Это объединяет их, с одной стороны, с головным мозгом, с другой — с искусственными нейросетевыми алгоритмами, которые разрабатываются программистами.
Размер имеет значение
По мере усложнения вычислительных алгоритмов искусственные нейросети начинают испытывать сложности из-за своего большого размера, поэтому использование объединенных биологических и искусственных нейросетей может стать альтернативой увеличения компьютерных мощностей.
Сама по себе технология объединения электродов и клеток не нова, ей уже больше 40 лет, но в современном своем прочтении эта область электрофизиологии и клеточной биотехнологии позволяет говорить о новом способе получения и хранения информации, разработке нового типа нейросетей, создании нового вычислительного оборудования. Созданы усложненные микроэлектронные чипы, контактирующие непосредственно с нейральными клетками, объединенными в нейросети. Они называются органоидным интеллектом.
Елена Владимировна Петерсен. Источник фото: пресс-служба МФТИ
Модель нейродегенерации
Е.В. Петерсен: «В нашем центре мы разработали синтетически активную клеточную трехмерную модель, используя стандартные линии нейральных клеток. Обычно они считались непригодными для проведения тестирования активности препаратов и использовались только для оценки токсичности. Мы пересобрали клетки в модель таким образом, что они смогли восстановить свой конституциональный (естественный) уровень экспрессии МАО (моноамиооксидазы) — фермента, утилизирующего излишки нейромедиаторов. Известно, что повышение уровня моноаминоксидазы сопутствует многим патологическим процессам начиная с болезни Паркинсона и заканчивая возрастной и посттравматической нейродегенерацией».
В объединенном коллективе с химиками, которые синтезировали несколько различных вариантов ингибиторов МАО (субстанций, способствующим уменьшению уровня МАО), ученые из МФТИ смогли протестировать их на модели в ускоренном режиме, а также определить терапевтически перспективные варианты.
Новый фармскрининг
Вторым большим направлением, которым занимаются в МФТИ, стало определение показателей температуры, процентного состава компонентов газовой смеси, питательных добавок и подложек для моделирования более физиологичных условий содержания клеток и клеточных моделей.
Правила работы с клетками были написаны и разработаны давно, и тогда было важно получить как можно большее их количество, а на клеточную физиологию обращали гораздо меньше внимания. Сейчас, используя технологии технического зрения и управляемого инкубирования, можно подобрать условия, которые будут более адекватно воспроизводить естественное клеточное окружение и обеспечивать физиологичный ответ клеток на лекарства.
Е.В. Петерсен: «Так, совместно с нашими коллабораторами, инжиниринговой компанией ”Техвизио”, мы разработали приборный комплекс для высокопроизводительного скринингового культивирования, который позволяет управлять инкубированием и оценивать растущие клеточные культуры по их микроизображениям. Для этого была разработана программа на основе искусственного интеллекта, анализирующая изображения клеток и позволяющая по морфофункциональным характеристикам делать предположение по действию тех или иных препаратов. Наша разработка может помочь в исследованиях в области персонифицированной медицины и в обеспечении здорового долголетия».
В рамках таких исследовательских платформ клетки можно ранжировать по их физиологическим функциям в различных условиях, по восприимчивости и ответу на лекарственные препараты, транскриптомному профилю и т.д. Применение подобных модельных систем возможно в самых различных направлениях. В первую очередь, это фундаментальные исследования патогенеза различных заболеваний и поиск новых мишеней и путей их лечения.
Экономическая выгода
Работа ученых ведется параллельно со стандартными исследованиями на животных моделях, поскольку до сих пор не накоплен достаточный опыт перенесения всех протоколов тестирования на 3D-моделях. Однако уже сейчас можно сделать вывод о том, что время фармскрининга возможно сократить, так же как и сами расходы, связанные с работой на животных моделях.
Е.В. Петерсен: «Если мы сможем проверять не только токсичность и эффективность лекарств на микротканях или трехмерных клеточных объектах, оставляя на стадию исследований изучение системных эффектов, то для доклинических испытаний потребуется меньшее количество животных, более короткие сроки проведения испытаний, что в конечном счете позволит сократить и расходы. Возможно, это также будет способствовать облегчению процесса разработки и внедрения новых оригинальных лекарственных препаратов, которые сейчас создаются в России».
По словам Е.В. Петерсен, существует разрыв между исследовательским уровнем, который задают химики и фармакологи в рамках различных грантовых научно-исследовательских программ, и реальным сектором, где российские фармкомпании очень сильно страхуются и не торопятся быстро брать разработки «с нуля». Причины — дороговизна доклинической стадии разработки и высокий риск получить низкую эффективность этой разработки.
До недавнего времени гораздо более безопасно было развивать направления, связанные с дженериками, о которых все известно, ведь воспроизведение их производства в наших условиях занимает гораздо меньше ресурсов. Экономическую ситуацию нельзя сбрасывать со счетов, но ученые стараются искать общий язык с фармакологами, показывать свои разработки, общаться с реальными партнерами.
По словам Е.В. Петерсен, новые программы, запущенные университетами в последнее время, будут способствовать повышению эффективности создания собственного производства, непрерывной линейки трансфера технологий от науки к бизнесу. Так можно достичь важной цели: не пропускать стадии создания новых препаратов, когда для фармакологов не будет сложным внедрение новых оригинальных разработок отечественного производства.
Источник фото на слайде и превью: ru.123rf.com