На жаль, минулий рік у галузі медицини та науки не став феєричновибуховим. Вчені досі не знайшли універсальних й однозначно ефективних ліків від раку та не розгадали загадок щодо лікування інших тяжких захворювань. Але все ж таки наукова спільнота світу не протирала штанів, а ретельно вдосконалювала важливі розробки і дослідження. Чим вчені світу можуть вже пишатися, а що досі вимагає титанічної праці?
ТОП-5 відкриттів в медицині
Серед досягнень, які значно змінять майбутнє лікарів і пацієнтів у 2020 році, – нано-шприці, безпечні методи редагування геному, штучні нейрони для трансплантації та інші. Хоча про все по порядку й детальніше!
Вплив кисню на клітинний метаболізм
У 2019 році лауреатами Нобелівської премії з медицини та фізіології стали британець Пітер Реткліф й американці Вільям Келін-молодший і Грегг Семенца. Науковці досліджували реакцію і пристосування клітин до змін рівня кисню в навколишньому середовищі, адже його вміст впливає на клітинний метаболізм і фізіологічні функції. Вважають, що ці дослідження допоможуть розробити нові стратегії боротьби з анемією, раком та іншими тяжкими захворюваннями.
У разі нестачі кисню в організмі ссавців підвищується рівень гормону еритропоетину, котрий виділяють нирки, стимулюючи у такий спосіб синтез нових еритроцитів для доставки кисню. Однак довгий час не було відомо, як саме клітини відчувають кисень. Грегг Семенца вивчав ген еритропоетину і його функцію у відповідь на гіпоксію — кисневе голодування. Пітер Реткліф незалежно від нього також досліджував роботу цього гена. Їм вдалося з’ясувати, що кисень регулює експресію гена еритропоетину в різних тканинах організму, а не тільки в нирках. Під час пошуку посередника між накопиченням кисню й експресією гена еритропоетину Семенца виявив HIF (hypoxia-inducing factor) — білковий комплекс, який безпосередньо зв’язується з ДНК.
Коли в клітинах достатньо кисню, HIF неактивний і швидко деградує у цитоплазмі клітини: його знищують протеасоми — білкові машини (за їх відкриття у 2004 році теж вручили Нобелівську премію). Протеасоми розщеплюють білки, на яких з’являється убіквітинова мітка. І тут відзначився третій лауреат цього року, Вільям Келін, який виявив, що в ракових клітинах часто підвищена експресія генів, пов’язаних із гіпоксією.
Механізм, за допомогою якого клітини реагують на концентрацію кисню, відіграє роль у розвитку різних хвороб людини. Наприклад, пацієнти з нирковою недостатністю страждають на анемію, оскільки нирки не справляються із синтезом еритропоетину. А багато пухлин, навпаки, продукують надмірну кількість білків, пов’язаних з гіпоксією, чим стимулюють ріст судин. Розуміння сигнального каскаду, який лежить в основі цих подій, може допомогти в розробці ліків для посилення або пригнічення відповіді на гіпоксію у клітинах.
Нано-шприці в лікуванні небезпечних захворювань
Багато бактерій заражають клітини свого хазяїна за допомогою «механізму шприца». Вони закріплюються на поверхні клітини, а потім формують канал, проштрикуючи захисну мембрану. Так бактерії передають усередину клітини токсичний білок, вбиваючи її протягом кількох хвилин.
Дослідники з Інституту фізики імені Макса Планка (м. Мюнхен, Німеччина) раніше вивчали цей процес за допомогою кріоелектронного мікроскопа, який завдяки високій роздільній здатності дає змогу бачити структуру білків. У новому дослідженні вчені з’ясовували, чи можуть бактерії «перемкнути» ці канали для закачування корисних речовин. Але все ускладнювалося тим, що дослідники мусили дотримуватися трьох умов. По-перше, білки мали бути певного розміру, по-друге, позитивно зарядженими і, по-третє, не повинні були взаємодіяти з молекулами, що утворюють «капсулу», яка утримуватиме їх усередині.
«Завдяки новому методу ми зробили перший крок до нашої мети — використання нано-шприців у медицині для цілеспрямованого введення ліків у клітини, — розповідає провідний автор дослідження Стефан Раунсер. — Дуже довго ми не могли зрозуміти, як зробити так, щоб токсин не виходив за межі нано-шприца. Тільки-но знайшли спосіб і зрозуміли, як токсин зв’язується з поверхнею клітини, ми почали модифікувати механізм ін’єкції, аби він міг розпізнавати ракові клітини. Це відкриє нові можливості в лікуванні раку з мінімальними побічними ефектами».
Хоча цей процес намагаються адаптувати для доставки ліків у клітини, у деяких випадках його можна буде застосовувати для ін’єкції токсичних білків. Команда експертів вважає доречним використовувати нано-шприці для впливу на мікроорганізми. Отже, незабаром ми зможемо боротися проти бактерій їхньою ж «зброєю».
Безпечні методи редагування геному
Дослідники називають редагування геному ідеальним способом боротьби зі спадковими захворюваннями, онкологічною патологією тощо. Однак цей процес здатен спричинити зміни не тільки в певному місці, а й в усьому організмі, що матиме непередбачувані наслідки.
Одними з найперспективніших вважають «щадні» методики, наприклад, CRISPRа, коли редагують не сам ген, а вводять у клітину генетичні конструкції, що продукують щось на зразок штучно створеного активатора, який включає потрібний ген. У 2018 році цим методом уперше вдалося активувати гени, необхідні для перепрограмування клітин шкіри у стовбурові, згодом — гени, пов’язані з насиченням, вилікувавши мишей від ожиріння.
Система CRISPR/Cas9, або «цинкові пальці», дає змогу точніше вбудувати ДНК у геном, але й вона може схибити. Крім того, за її допомоги не можна вбудовувати великі фрагменти ДНК.
Відомий ще один напрямок редагування геному, що використовує мобільні генетичні елементи (транспозони). Це особливі ділянки ДНК, здатні самі себе вирізати з одного місця та вбудувати в інше. Для цього вони кодують фермент транспозазу. Близько 20 років тому вчені знайшли в геномі риб один із варіантів транспозази, але він не працював і отримав назву «Спляча красуня».
Вчені з Європейської молекуляно-біологічної лабораторії в Гейдельберзі (Німеччина) вдосконалили та оновили метод, змусивши «Сплячу красуню» прокинутися. Для цього в клітину вводять не плазміду, що містить ген транспозази, а транспозазу в чистому вигляді. Раніше це не спрацьовувало, адже фермент агрегував та не проникав крізь мембрану. Вчені замінили в транспозазі два амінокислотні залишки, що підвищило розчинність. Експерименти на культурі клітин показали: модифікована транспозаза входить у клітини, вбудовує потрібну ДНК у геном, а потім протягом доби руйнується. Коротке життя фермента означає, що він не встигне спричинити зайвих мутацій.
Під час випробування оновленого методу «Спляча красуня» на Т-лімфоцитах ефективність вбудовування гена рецептора ракової клітини була приблизно такою, як при застосуванні вірусних векторів, але зменшилася кількість вбудованих генів, а частота вбудовування в «безпечні» місця геному зросла. Автори вважають, що редагування геному за допомогою модифікованого методу «Спляча красуня» є безпечнішим, ніж попередні технології, та дає змогу переносити великі фрагменти ДНК.
Штучні нейрони, придатні для трансплантації
Нещодавно міжнародна група вчених винайшла штучні нейрони на кремнієвих чіпах, котрі поводять себе, як справжні. Це перший «пристрій», придатний для пересадки людині.
Як повідомляється на сайті Університету Батa (Велика Британія), нові штучні нейрони підійдуть для лікування серцевої недостатності, хвороби Альцгеймера та інших захворювань, пов’язаних з дегенерацією нервового волокна. Критично важливо, що штучні нейрони не тільки поводять себе, як біологічні нейрони, а й практично не потребують джерела живлення (запасу вбудованої батареї вистачить на все життя). Завдяки цьому вони ідеально підходять для використання в медичних імплантатах і інших біоелектричних пристроях.
Група вчених, очолювана дослідниками з Університету Бата, включає науковців з університетів Бристоля, Цюриха й Окленда, стверджує, що штучні нейрони реагують на електричні сигнали від нервової системи, як справжні, чого намагалися досягти протягом багатьох десятиліть. Це відкриває можливості для лікування процесів, за яких провідні шляхи були нейронів були перервані, скажімо, при травмі спинного мозку, чи некротизовані внаслідок інших захворювань. Штучні нейрони можуть відновлювати ці зв’язки для адекватного функціонування всього організму.
Однією з основних проблем дослідження була нелінійна реакція нейронів. Нейрони здатні непередбачувано реагувати на подразники: якщо сигнал дуже сильний, то зовсім не обов’язково, що вони відповідатимуть так само. Математичні розрахунки і ретельне моделювання з урахуванням цих нелінійних реакцій дало змогу створити штучні нейрони, котрі реагують на стимули так, як це робили б живі здорові тканини. Після виведення закономірностей на математичних моделях, перш ніж довести, що їх кремнієві нейрони точно імітували роботу реальних, вчені розробили кремнієві чіпи, які точно відтворювали біологічні іонні канали.
Перший спосіб лікування глухоти
Згідно з даними Всесвітньої організації охорони здоров’я на сьогодні у світі понад 466 млн людей страждають на глухоту, 34 млн з яких — діти. За невтішним прогнозам вчених, нинішнє шумове забруднення міст і наявність інших шкідливих для людського слуху факторів збільшать до 2050 року кількість таких пацієнтів до 900 млн.
Досі ефективної технології відновлення слуху не існувало: вважали, що слухові клітини абсолютно непридатні до відновлення. Але дослідники з Гарвардської медичної школи спростували це.
Головна проблема дійсно полягала в тому, що так звані волоскові клітини ссавців і людини не здатні до поділу. Ці клітини в організмі відіграють роль певних приймачів звуку, які перетворюють звукові коливання в електричні сигнали. Їх дуже легко зруйнувати, що і призводить до глухоти. Не варто забувати і про старіння — проблеми зі слухом у людей літнього віку починаються саме через поступову втрату волоскових клітин.
Досі дослідникам вдавалося змусити слухові клітини ділитися і тим самим відновлюватися, але розроблені ними методи спрацьовували тільки у новонароджених мишей. Однак, за даними журналу Nature Communications, вчені з американського штату Массачусетс змогли запустити процес ділення волоскових клітин навіть у дорослих гризунів. Група вчених під керівництвом професора Чжен-І-Ченя активувала два гена у досить дорослих і придатних для дослідження мишей.
Перший активований ген — так званий Мус — відповідає за розмноження клітин, другий, відомий як NOTCH1, регулює взаємодію клітин. Активування цих генів дійсно сприяло поділу слухових клітин у дорослих мишей. Більше того, відновлені клітини створили досить міцні зв’язки з ділянками головного мозку, відповідальними за слух.
Дослідники переконані: їхнє відкриття в медицині усуне головну проблему, яка перешкоджала відновленню слуху. Коли саме технологію дозволять застосовувати для лікування людей, поки невідомо. Нині триває перевірка методу на дорослих свинях.
Раніше вчені з США склали рейтинг найкращих засобів, на які з нетерпінням чекають лікарі різних спеціальностей у 2020 році
Тетяна ПРИХОДЬКО, спеціально для «ВЗ»
