Традиційна медицина звикла до радикальних заходів: є проблема — треба її позбутися! Але, як свідчить багаторічний досвід, з людським організмом це не завжди спрацьовує. На щастя, деякі науковці розуміють, що махати шаблею не вихід, і сповідують альтернативний підхід системної біології. Можливо, саме за ним майбутнє сучасної медицини?
ВЗ Яким був ваш науковий шлях до вивчення проблем, пов’язаних із тютюнопалінням?
Микола Іванов, провідний дослідник наукового центру CUBE (Невшатель, Швейцарія)ВЗ А чому ви з такого шанованого закладу перейшли працювати в тютюнову компанію?
— Одного разу я побачив оголошення у відомому журналі Nature про те, що компанія Philip Morris International шукає біоінформатиків для роботи в новому дослідному центрі з вивчення геному тютюну. Мене це зацікавило, і я почав шукати інформацію з цього напрямку. Виявилося, що геном тютюну ймовірно набагато складніший, аніж, скажімо, людський. Це характерно для більшості рослин, адже в разі небезпеки вони не здатні втекти від неї, тому природа придумала безліч захисних механізмів — рослинний еквівалент імунної системи людини. Як дослідник-ентузіаст я не зміг знехтувати таким шансом і відгукнувся на цю вакансію. Мене запросили на співбесіду до Швейцарії. Варто сказати, що Cube — нового дослідницького центру Philip Morris International, де ми зараз розмовляємо, ще не було, його лише будували. Але в лабораторіях, для яких шукали дослідників, уже було достатньо устаткування, щоб займатися такими специфічними та серйозними темами, як дослідження геному. Рівень апаратури був не гіршим, аніж у Кембриджі, а недобудований Cube взагалі обіцяв «науковий рай». На щастя, мене одразу взяли…
ВЗ Що вдалося виявити в рамках програми дослідження геному тютюну?
— Теоретичні дані про складність структури тютюну підтвердилися. Ми показали, що геном цієї рослини на 50% складніший за людський. Для цього нам довелося секвенувати весь геном і склад генів листя тютюну. Ми порівняли його з найближчими родичами — картоплею та томатами, й тут виявилося, що тютюн значно складніший, адже він є полідиплоїдною рослиною.
ВЗ Мені поки важко уявити: як можуть стати в пригоді ці знання з медичної точки зору?
— По-перше, навіть в альтернативних продуктах з потенціалом зниженого ризику, не кажучи вже про звичайні цигарки, як вихідний матеріал використовується тютюн. Його закуповують у різних країнах світу й інколи там існують певні пандемії різних хвороб цієї рослини. Про це мало хто знає, і часто говорять: «Ну яку шкоду може завдати хвора рослина?» По-друге, досконало знаючи геном тютюну, можна певним чином зменшити його канцерогенність: або обробляючи вже на виробництві, або ж шукаючи ті види, що від самого початку є менш шкідливими.
Варто зауважити, що секвенування геному тютюну для нас уже в минулому, і ми наразі займаємося іншими дослідженнями, які безпосередньо можна співвіднести з організмом людини. Існує чимало доказів, що дихання токсикантами, котрі містяться в димі цигарок, може спричинити незворотні зміни в генетичному матеріалі (мутації ДНК), а також спровокувати зворотні зміни в експресії генів та епігенетичному ландшафті. До хвороб, які вважаються пов’язаними з геномними й епігенетичними збуреннями, належать рак легень, хронічне обструктивне захворювання легень (ХОЗЛ) і серцево-судинні захворювання (ССЗ). Усі вони тісно пов’язані з тютюнопалінням.
Ми будуємо низку обчислюваних біологічних моделей, характерних для неуражених легеневої та серцево-судинної систем, які охоплюють молекулярні події, що можуть бути активовані після впливу токсикантів з навколишнього середовища. І, нарешті, вивчаємо найсучаснішу геноміку, котра дає змогу виявляти глобальні зміни на рівні геному. Завдяки цим методам вдається значно розширити наше уявлення про конкретні механізми, за допомогою яких вплив хімічних речовин з навколишнього середовища обумовлює розвиток захворювання. Таке механістичне знання дає різноманітні можливості для розширеної оцінки безпечності продукту та відкриття нових терапевтичних втручань.
Оскільки будь-які дослідження на людському організмі заборонені з етичної точки зору, робити висновки про конкретні механізми впливу тютюнопаління на різні системи та органи можна лише теоретично. Тому всі доклінічні дослідження проводяться на тваринах, споріднених з людиною. За останні три роки ми дослідили майже кожну тканину організму гризунів і чітко знаємо, якої шкоди завдають продукти горіння тютюну. Приміром, ми робили тривимірне сканування різноманітних судин щура за допомогою мікро-КТ (до, під час та після перебування в приміщенні, повітря якого насичене тютюновим димом). Виявилося, що жири в разі наявності в повітрі речовин, котрі виділяються в процесі горіння, накопичуються на стінках судин у кілька разів швидше, аніж при природному старінні організму. У всіх піддослідних тварин визначено стрімкий процес атеросклерозу. Це дає нам підстави вважати, що аналогічний процес відбувається і в організмі людини. Також ми моделюємо процеси раптової відмови від тютюнопаління і спостерігаємо, наскільки швидко відновлюються тканини і чи є це відновлення повним.
Окремо досліджуємо експресію генів. Існують чіпи, на які нанесені абсолютно всі гени людини або будь-якої тварини, — своєрідні базові моделі. Завдяки цій технології під час одного експерименту можна побачити, які саме гени збуджуються при палінні, які процеси в організмі призупиняються і коли відновлюються знову після припинення паління.
Один з основних процесів, спричинених тютюнопалінням, — запалення. Нам вдалося це чітко продемонструвати. Унаслідок запалення, наприклад, може утворитися емфізема, а згодом — відбутися руйнування тканин. Більше того, під час паління порушуються процеси регенерації тканин, тому сподіватися на те, що організм курця буде відновлюватися самостійно, марно. Значно зростають ризики процесів клітинного стресу, проліферації та апоптозу, тобто клітинної смерті. Усі ці механізми через певний проміжок часу з великою ймовірністю призведуть до виникнення раку.
Ще однією асоційованою із тютюпалінням патологією є ХОЗЛ. Це захворювання порівняно повільно прогресує (у середньому 20-25 років) і надто важко піддається лікуванню. Тому важливо виявити ранні біомаркери початку ХОЗЛ, аби прогнозувати потенційний вплив на здоров’я. Для досягнення цієї мети ми мусили спочатку ідентифікувати молекулярні зміни при ХОЗЛ у безсимптомних курців. Ця робота тривала на молекулярному рівні: оцінку проводили на зразках мокротиння, носових зіскобів, сироватки крові тощо. Після ідентифікації біомаркерів ми створили їх панель, за допомогою якої відтепер можна визначати схильність до ХОЗЛ. І, нарешті, ми виявили конкретні зміни в профілях ліпідів у сироватці в пацієнтів з ранньою стадією ХОЗЛ. Ці молекулярні маркери можуть вказувати на специфіку захворювання.
ВЗ Чи проводяться вашим центром клінічні дослідження?
— Так! Ми ще не встигли опублікувати їх результати, але певні дослідженння вже закінчені. Нарешті нам вдалося виділити найшкідливіші канцерогени з цигарок та за допомогою специфічних методів виміряти їх рівень у курців і у людей, які кидають палити. Відтепер ми маємо надійні дані й можемо моделювати процес відновлення організму людини після відмови від паління. Також дуже цікавим є дослідження, проведене за допомогою органотипових тканин. Можна виростити тривимірні тканини людського організму, хоча це й важко, і досліджувати саме їх, а не тварин. Такі культури дають змогу краще імітувати морфологічні, фізіологічні та молекулярні ознаки дихальної системи людини.
Наразі ми закуповуємо тканини бронхолегеневої системи, ротової та носової порожнин і досліджуємо вплив тютюнового диму на них. Приміром, ми можемо спостерігати рухомість ворсинок епітелію цих тканин, які сприяють виведенню шкідливих частинок з організму. Виявилося, що тютюновий дим зупиняє ці природні рухи, а потенційний продукт зниженого ризику — система нагріву тютюну — ні. У курця внаслідок такої блокади руху ворсинок не виводиться не тільки отрута з цигарок, я й інші шкідливі речовини з повітря.
Ми також використовували дві органотипові культури, згенеровані з первинних клітин, отриманих від донорів, котрі не палять. Ці культури містять фібробласти й епітеліальні клітини, за допомогою яких можна найточніше відтворити ситуацію в природних умовах. Досить нанести два перші шари клітин, і вони самі диференціюються за наявності певних речовин, виростаючи в тканину. Для того, щоб імітувати вплив куріння протягом одного дня, культури тканин людини піддавалися неодноразовому впливу диму, котрий генерується однією цигаркою. Експозицію повторювали чотири рази з інтервалом в одну годину між кожною цигаркою. За найвищої дози глобальні зміни експресії генів в обох культурах тканин були найінтенсивнішими на ранньому терміні після впливу. Так само за допомогою органотипових тканин можна створювати моделі для тестування косметики, уникаючи експериментів на тваринах. Тривимірні тканини бронхів також використовують для дослідження бронхіальної астми та інших захворювань легень. Зараз це дуже популярний напрямок. За допомогою методів системної біології ми можемо бачити всі компоненти, що змінюються всередині тканини, визначати збурення біологічних мереж.
ВЗ Яка основна мета цих тривалих і фінансово витратних досліджень?
— Нашим основним завданням було винайти технологію, потенційний ризик від якої був би близьким до повної відмови від цигарок. Адже люди, котрі хочуть і здатні кинути палити, мусять саме так і вчинити, не сподіваючись на жодні альтернативні продукти. Така продукція призначена для затятих курців, котрі щодня травлять себе, попри попередження про шкоду для здоров’я. Це люди, яких потрібно рятувати. Тому компанія й інвестувала в дослідження такі шалені кошти, щоб мати змогу запропонувати їм продукти зниженого ризику.
ВЗ Які ще інноваційні методи є заслугою вашого відділу наукового центру Cube?
— Ми доклали чималих зусиль для розвитку системної біології: розробляли інструменти для вимірювання всіх білків людини. Нові прилади мас-спектрометрії здатні визначати одночасно рівні всіх протеїнів людського організму в динаміці. Це немов миттєва фотографія всіх білків. Потім з них монтують фільм і показують динаміку. Це найцікавіше, оскільки багато чого можна виявити заздалегідь. Також активно розвиваються методи вимірювання експресії генів, такі як qRT-PCR (quantitative reverse transcription polymerase chain reaction). Двадцять років тому вперше застосували метод qPCR (кількісна полімеразна ланцюгова реакція), який давав змогу точно вимірювати концентрацію тільки одного гена. Потім з’явилися чіпи, але точність досліджень була низькою. Сучасний метод високопродуктивної полімеразної ланцюгової реакції — це фактично проведення qPCR одночасно на всіх генах. Активних генів близько 10 тис., а всього їх — приблизно 30 тис. Цей метод одночасно і точний, і високопродуктивний.
ВЗ Звичайно, з епідеміологічної точки зору в Cube проводяться дуже цінні дослідження. Але всі вони сконцентровані навколо тютюнопаління. Як ви плануєте використовувати потужності центру надалі?
— Ті потужності, що наразі має наш центр, дадуть змогу проводити будь-які дослідження у сфері превентивної медицини. Тут є й устаткування, і спеціалісти з усіх наукових сфер. І ми маємо кілька цікавих ідей. Наразі, метою нашого дослідження є можливості використання науки для покращення громадського здоров’я через зниження шкоди, спричинюваної палінням. Що більше ми розуміємо, як воно зумовлює відповідні захворювання на клітинному рівні, то більше переконуємося: продукти з потенціалом для зменшення негативних наслідків від паління справді знижують шкоду для здоров’я. У нашому центрі є найсучасніші засоби та технології, котрі дають змогу працювати в цьому напрямку. Відомо, що при деяких захворюваннях паління дає позитивний ефект (звичайно, це дуже рідкісні випадки). Приміром, паління обумовлює зменшення неприємних відчуттів у хворих на виразковий коліт.
Наразі вчені намагаються знайти речовину у цигарках, яка може чинити такий вплив. Тобто тему паління можна розглядати з різних сторін. Є ідея щодо людей із хворобою Альцгеймера: згідно з опублікованими даними в курців початок цієї недуги відтерміновується на певний час. Можливо, у майбутньому ми знайдемо причини зазначених парадоксів, зможемо створити продукт зниженого ризику, який буде позбавлений усіх шкідливих чинників цигарок, проте міститиме специфічні ефекти для хворих людей. Адже вивчивши ворога, можна зробити його союзником.
Розмову вела Тетяна ПРИХОДЬКО, «ВЗ»
