logo
Статья
/ Никита Устинов
Обзор избранных событий в мировой науке за 1–7 октября 2018 года

Лазерные «сверла», антитела против рака, старинная вакцина и кое-что еще

Лазерные «сверла», антитела против рака, старинная вакцина и Нобелевская премияЛазерные «сверла», антитела против рака, старинная вакцина и Нобелевская премия
Малашенкова Анна © ИА Красная Весна

Сила света в действии: лазерные «пинцеты» и «сверла»

Все последние дни научное сообщество пристально следило за главным событием года — вручением Нобелевской премии в нескольких областях. Одна из интриг разрешилась 2 октября, когда наградили физиков. Лауреатами стали трое коллег-лазерщиков: Артур Эшкен из США, Жерар Мур из Франции и Донна Стриклэнд из Канады.

Артур Эшкен — признанный корифей лазерной физики. Прошло уже 40 лет с тех пор, как ученый воплотил мечту свой юности: заставить лучи лазера захватывать и перемещать микроскопические частицы. Еще в 1978 году он изобрел оптический «пинцет», с помощью которого можно манипулировать нано- (атомы, вирусы) и микрообъектами (бактерии, живые клетки).

Внутри частицы, стоит ей попасть в электрическое поле лазерного пучка, нарушается распределение заряда и возникает так называемый дипольный момент. Чтобы скомпенсировать этот момент, частица меняет положение в пространстве, пока не сориентируется по градиенту поля. Если правильно сфокусировать лазерный пучок, то частицу можно захватить и перетащить на произвольное расстояние.

Жерар Мур и Донна Стриклэнд отметились изысканиями в смежной области. Ученые в 1985 году разработали «метод генерирования ультракоротких оптических импульсов высокой интенсивности». Фемтосекундные (1 фемтосекунда = 10-15 с) лазеры, в которых реализована эта технология, испускают сверхкороткие импульсы, что позволяет с предельной аккуратностью «высверливать» микроотверстия в любом материале.

Фемтосекундная лазерная искраФемтосекундная лазерная искра
Smirnov Semen

Первыми, кому пригодилось открытие Мура и Стриклэнд, оказались микрохирурги-офтальмологи. Специалисты знают: перед тем как проводить лазерную коррекцию зрения, требуется расслоить ткань роговицы. Наносекундные (1 наносекунда = 10-9 с) не справлялись со столь тонкой работой, из-за чего роговичный лоскут приходилось формировать механически — с помощью так называемого кератома. С приходом в офтальмологию фемтосекундных лазеров в начале 2000-х гг. задача существенно упростилась. Вот уж действительно — идея нашла не худшее воплощение!

20 лет ожидания: первопроходцев антираковой иммунотерапии наконец-то отметили

За день до этого, 1 октября, вручалась Нобелевская премия по медицине. В этой сфере престижнейшей награды удостоились японец Тасуку Хондзё и американец Джеймс Элисон, с именами которых неразрывно связано новейшее направление в онкологии — иммунотерапия с помощью антител.

Элисон многие годы занимался CTLA-4 — одним из поверхностных белков T-лимфоцитов, которые распознают и уничтожают «подозрительные» клетки. Повышенная выработка CTLA-4 при онкологических заболеваниях «ослепляет» T-лимфоциты и лишает их возможности атаковать раковые клетки.

Элисон с коллегами в 1996 году разработали антитело к CTLA-4 (ипилимумаб), которое отчасти возвращает T-лимфоцитам эту способность. Клинические испытания 2010 года показали, что блокада CTLA-4 эффективна у пациентов с раком кожи (меланомой). С 2011 года ипилимумаб продается в виде лекарства под торговой маркой Yervoy по всему миру.

Ипилимумаб в комплексе с мишенью (CTLA-4)Ипилимумаб в комплексе с мишенью (CTLA-4)
pdb.org

Хондзё независимо от Элисона в 1992 году открыл белок PD-1 (англ. Programmed cell Death protein-1), который, как и CTLA-4, тоже «отвлекает» T-лимфоциты от борьбы с раковыми клетками. Антитело против PD-1 — ниволумаб — оказалось настолько эффективно, что иногда приводило к стойкой ремиссии даже у безнадежных пациентов с множественными метастазами. С 2014 года оно продается под торговой маркой Opdivo.

Видные фармакологи давно сходились во мнении, что Хондзё и Элисон рано или поздно удостоятся Нобелевской премии за свои прорывные разработки. И вправду, как было обойти вниманием тех, кто стоял у истоков целого направления в онкологии? Сейчас антитела к «онкобелкам» помогают миллионам пациентов если не полностью вылечиться от рака, то хотя бы избежать ужасных последствий химиотерапии. Впрочем, антираковая иммунотерапия еще далеко не исчерпала своих возможностей, которые простираются гораздо дальше сегодняшних. И всё это — благодаря пионерским изысканиям новоиспеченных лауреатов.

«Медики» предполагают, «химики» располагают

Впрочем, Хондзё и Элисон нуждались в условных «коллегах», чтобы те придумали, как получать пресловутые антитела. Символично, что бойцы прикладного и фундаментального фронтов разделили радость триумфа почти одновременно: 3 октября лауреатами Нобелевской премии по химии стали американец Джорж Смит и британец Грегори Винтер вместе с еще одной уроженкой США Фрэнсис Арнольд.

Структура антителаСтруктура антитела
Никита Устинов © ИА Красная Весна

Впрочем, антитела к отдельным белкам-мишеням умели получать задолго до Смита и Винтера. Ещё в 1975 году Георг Кёлер и Сезар Мильштейн предложили гибридомную технологию, которая впервые позволила получать антитела с заданной специфичностью и предсказуемым сродством к мишени — так называемые моноклональные антитела. Однако по методике Кёлера и Мильштейна их приходилось нарабатывать в организме лабораторных мышей, а мышиные антитела отличаются от человеческих слишком сильно, чтобы использовать их в лечебных целях.

Эту проблему и начал решать Джордж Смит, который в 1985 году предложил технологию фагового дисплея. Этот изящный метод позволяет подбирать человеческие антитела практически к любым белкам с помощью фагов — специальных вирусов, поражающих бактерии.

Для фагового дисплея нужна библиотека генов, кодирующих всевозможные варианты человеческих антител. После встраивания этой библиотеки в геном вируса соответствующие антитела отображаются (англ. display) на фаговой оболочке. Из них, в свою очередь, отбирают те, которые свяжутся с белком-мишенью. Чтобы достичь нужной степени «обогащения», процедуру повторяют несколько раз. В каком-то смысле процесс подобен естественному отбору в дикой природе: с каждым новым циклом библиотека всё больше обогащается «сильнейшими» антителами, пока «слабейшие» полностью не отсеются.

Принцип фагового дисплеяПринцип фагового дисплея
Никита Устинов © ИА Красная Весна

Однако эту технологию еще нужно было адаптировать для широкомасштабного производства терапевтических антител, что и сделал Грегори Винтер в 1994 году. Стоило этому случиться, как они стали разрабатываться и внедряться в клиническую практику одно за другим. Этот бум весьма удачно совпал с изысканиями Хондзё и Элисона. И всё-таки пути научных открытий неисповедимы!

Старинная вакцина против рака вынырнула из тьмы десятилетий. Ждать ли «камбэка»?

Продолжая тему противораковых изысканий, нельзя не отметить ещё одно любопытное исследование, о котором 1 октября написал научный портал Science. На этот раз отметились американские ученые из университета Техаса.

Американские фармакологи испытывали на онкобольных клостридии (Clostridium novyi) — спорообразующие микроорганизмы, которые вызывают газовую гангрену и сепсис. Чтобы у испытуемых не развились эти опасные состояния, у бактерий предварительно «отключали» ген, кодирующий клостридиальный токсин. У 19 из 23 добровольцев, которым впрыскивали споры C. novyi в опухоль, прекращала расти не только она сама, но и ее метастазы по всему организму.

Клостридии. Бактериальная культура в чашке ПетриКлостридии. Бактериальная культура в чашке Петри
mostly*harmless

Антираковый эффект сопровождался типичными симптомами инфекции — жаром, лихорадкой и местной болью. По всей видимости, иммунная система, мобилизованная на борьбу с болезнетворными микроорганизмами, заодно начинает «съедать» и раковые клетки.

Изыскания фармакологов из Техаса отсылают к противораковой вакцине Коли — исторически первому, но основательно подзабытому способу лечения рака. Американский онколог Вильям Коли еще в 1890-х гг. пробовал впрыскивать пациентам с неоперабельной саркомой убитые бактерии Streptococcus pyogenes и Serratia marcescens, что вызывало иммунный ответ и сопровождалось стабилизацией или даже рассасыванием опухоли.

Эффективность вакцины Коли ошеломляет даже сегодня. В 1999 году исследователи подняли архивы и обомлели: среди вакцинированных женщин, больных неоперабельным раком груди, выживало... 65%! Даже весь комплекс современных методик спасает лишь каждую пятую пациентку с таким диагнозом!

Вильям КолиВильям Коли
wellcomeimages.org

Однако в 1960-х гг. эту «чудо-вакцину» сняли с производства. Почему? По официальной версии, она не выдержала конкуренции с химиотерапией и лучевой терапией — двумя «китами», на которых зиждилась онкология все последние десятилетия, пока стараниями Хондзё и Элисона к ним не добавился третий. Однако тут вряд ли обошлось без «акул» фармацевтического бизнеса, которые тогда еще только начинали бороздить рыночные просторы.

Эксперименты с клостридиями могли бы дать робкие надежды на возрождение направления, тем более что это не первое исследование такого рода за последние годы. Впрочем, потеснить c многомиллиардного рынка химиопрепараты и антитела бактериальной противораковой вакцине будет еще труднее, чем полвека назад, поэтому шансы на «камбэк» невелики.

«Молекулярные ножницы» всё вырежут сами? CRISPR-Cas9 против смертельного недуга

Прибавилось на этой неделе надежды и у больных миодистрофией Дюшенна. У мальчиков с этим недугом нарушается выработка белка дистрофина, из-за чего у них постепенно отказывают мышцы, пока атрофия сердечной и дыхательной мускулатуры не приведет к смерти. Американским ученым удалось частично восстановить выработку дистрофина с помощью «молекулярных ножниц» — системы редактирования генома CRISPR-Cas9. Соответствующая статья опубликована в журнале Science от 5 октября.

«Молекулярные ножницы»«Молекулярные ножницы»
(cc) NIH Image Gallery

Эксперименты проводились на собаках с теми же мутациями в гене дистрофина, что и у большинства больных миодистрофией Дюшенна. Белковые компоненты системы CRISPR-Cas9 доставлялись в организм животных с помощью аденовируса по отработанной схеме.

Через 6 недель ученые проверили, насколько у собак восстановилась выработка нормального, немутантного дистрофина. При доставке непосредственно в мышцу уровень белка в ней вырастал до 60% от нормы, тогда как при инъекции в глазное дно эффект проявлялся неравномерно. Так, например, в бицепсах выработка дистрофина восстанавливалась на 64%, в диафрагме — на 58%, а в трицепсах — на четверть. Примечательно, что в сердечной мышце уровень белка нормализовался почти полностью. Почти везде выработка дистрофина сопровождалась регенерацией мышечной микроструктуры.

Подсчитано, что миодистрофия Дюшенна перестает прогрессировать, если восстановить выработку немутантного дистрофина до 15% от нормы. Однако существующие методы лечения, увы, поднимают уровень заветного белка всего на доли процента.

Срез пораженной мышечной ткани при миодистрофии ДюшеннаСрез пораженной мышечной ткани при миодистрофии Дюшенна
phil.cdc.gov

Казалось бы, вооружившись «молекулярными ножницами», ничего не стоит играючи взять этот 15%-ный барьер. Однако радоваться еще рано: за 6 недель эксперимента невозможно понять, не «режут» ли они геном в других местах, приводя к непредсказуемым последствиям. Поэтому переход от испытаний на мышах и собаках к лечению людей пока остается под большим вопросом.