Наполненные ядом наношарики уничтожили метастазы у мышей

Эксперименты показали, что у 50% мышей в течение восьми месяцев не было выявлено никаких признаков метастазирования опухоли.

Наибольший риск для большинства пациентов с онкологией представляет не столько само заболевание, сколько метастазы. Они как щупальца осьминога распространяются от очага опухоли в разные стороны, от одного органа к другому. Так метастазы могут проникать в лёгкие, печень и разные ткани.

Но учёные из США придумали метод борьбы с метастазами с помощью "яда".

Лечение осуществляется в три действия, в ходе которого вещество, используемое в химиотерапии сегодня, постепенно размещается в непосредственной близости от ядра метастатической раковой клетки. Только в этом случае молекулы препарата являются наиболее смертоносными для клеток.

"Это почти как многоступенчатая ракета, которая поднимает космонавтом в космос, отправляет их на Луну и затем возвращает их обратно", - проводит аналогию генетик и хирург-онколог из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна Стивен Либутти (Steven Libutti).

В основе новой терапии лежит химиотерапевтическое вещество, называемое доксорубицином – это антибиотик антрациклинового ряда. Такое вещество получают из бактерий вида Strcptomyccs pcucctius cacsius, и оно используется главным образом для лечения различных видов злокачественных опухолей. Доксорубицин воздействует на ДНК опухолевых клеток, предотвращая их дальнейшее деление.

Однако есть одно важное "но": когда его вводят в кровеносную систему, такой препарат может также убить сердечную мышцу или привести к сердечной недостаточности. Такой неблагоприятный эффект, в свою очередь, часто вынуждает онкологов снижать дозу, либо вовсе прекратить использование доксорубицина.

Весьма желательно доставлять такой антибиотик только в клетки опухоли, но сделать это сложно.

Команда исследователей, руководимая Мауро Феррари (Mauro Ferrari), наномедицинского эксперта, главы Хьюстонского Методистского научно-исследовательского института в Техасе, потратила годы на разработку особой пористой частицы кремния, которая стала бы "перевозчиком" препарата.

Микронный размер и дискообразная форма частицы позволяют ей беспрепятственно проходить через здоровые кровеносные сосуды. Но когда они попадают в сосуды около опухоли, которые обычно деформированы, частицы покидают кровообращение и оказываются рядом с опухолью.

Это был первый этап в доставке химиотерапевтического препарата к своей цели. Но просто заполнять такие частицы доксорубицином не принесёт много пользы, считает Феррари.

Нанозаплатка

20 тыс. микроигл протыкают только самый верхний слой кожи

Забавно осознавать, что в то самое время, когда уже начали печатать части человеческого тела на 3D-принтерах, мы до сих пор доставляем лекарства в тело, протыкая большой грубой иглой нашу плоть. Это вообще-то больно. Так встречайте же нанопластырь (Nanopatch)—революционную систему доставки лекарств к месту назначения. Изготавливает ее небольшой медицинский стартап Vaxxas.

Нанопластырь представляет собой 20 тыс. крохотных игл, посаженных на кремниевую подложку размером в 1 см2. Эти микроиголки покрыты сухой формой лекарства. Наложите «заплатку» на кожу — и иголки проникнут под верхний слой кожи (эпидермис), богатый иммунными клетками.

Нанопластырь меньше почтовой марки

Металлические нанотерминаторы уничтожат опухоль изнутри

Нанотерминаторы из жидкого металла могут наносить
удар по раковым клеткам изнутри

Поиски эффективного лечения раковых заболеваний ведутся по нескольким направлениям, и всё чаще учёные используют наночастицы для доставки лекарственных препаратов прямо в клетки опухоли. В предыдущих работах в качестве миниатюрных транспортных средств использовались ДНК-роботы, наномоторы и микрохирурги. Но их названия не звучали так грозно, как новая разработка американских исследователей – "нанотерминаторы". Такая аналогия напрашивалась сама собой, ведь новые частицы, убивающие раковые клетки, выполнены из капель жидкого металла.

Команда из Университета Северной Каролины давно работала с жидким сплавом галлия и индия и заметно продвинулась на пути к созданию гибкой электроники и изменяющих форму роботов, на подобие Т-1000 из известного фильма Джеймса Кэмерона.

В предыдущих работах учёные научились дистанционно управлять каплей металла, заставляя её принимать разные формы. Теперь Чжень Гу (Zhen Gu) и его коллеги решили использовать свой опыт на частицах металла значительно меньшего масштаба. Они помещали жидкий сплав в раствор, содержащий две разновидности молекул, известных как полимерные лиганды. Затем под действием ультразвука металл дробился на крошечные шарики диаметром около 100 нанометров. Сразу после этого поверхность капель начинала окисляться и покрывалась лигандами, которые предотвращали их слипание в более крупные элементы.

При добавлении в раствор противоракового препарата доксорубицина лиганды первого типа захватывали и удерживали его внутри. Второй тип молекул был настроен на поиск раковых клеток и мог связываться с особыми рецепторами на их поверхности.

Для тестирования учёные ввели заряженные версии "роботов" в кровь мышей, больных раком. Раковые клетки впитывали большое количество крошечных шариков и разрушали их оболочку своей кислой средой. В результате лиганды распадались и выпускали доксорубицин, атакуя болезнь изнутри. Кроме того, при распаде освобождались ионы галлия, которые усиливают действие химиотерапии.

Кто на самом деле изобрел противомикробные препараты

Когда возникает вопрос, кто "изобрёл" антибиотики, все отвечают: Александр Флеминг. Однако открытие Флеминга было случайным, да и "антибиотиком" пенициллин стал задним числом. Подлинным создателем антимикробных препаратов нужно считать человека, который долго и сознательно шёл к этому, разработал не одно лекарство, да и само слово "антибиотик" — его заслуга.

Зельман Абрахам Ваксман.

Родился 22 июля 1888 г. в селе Новая Прилука. Умер 16 августа 1973 г. в Вудс-Холе, Массачусетс, США. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1952 года.

Итак, встречайте — американец винницко-одесского происхождения Зельман Ваксман, за свои работы удостоенный Нобелевской премии по физиологии и медицине. Формулировка Нобелевского комитета:"за открытие стрептомицина, первого антибиотика, эффективного при лечении туберкулеза"

В 1881 году на территории современной Винницы (Украина) скончался и был погребен в мавзолее Николай Иванович Пирогов — один из основоположников современной медицины. Семью годами позже в двух десятках километров от этого места родился человек, которого не найти в списках российских/советских нобелевских лауреатов.

Мне особенно приятно писать об этом человеке еще и потому, что в школу я ходил в одном с ним городе, в том же самом городе, откуда за год до его рождения уехал второй "медицинский" нобелевский лауреат, который родился в Харьковской губернии (Украина), Илья Мечников. Ну, вы таки поняли о каком городе я говорю...

Зельман Абрахам Ваксман действительно родился в селе Новая Прилука Винницкого уезда. Папу звали Яков Ваксман, маму — Фрейда Лондон. Ну и, как у нас в Одессе любили шутить, в графе "национальность" смело можно было писать "таки да". Образование Ваксмана составили местный хедер (религиозная начальная школа у евреев) и одесская гимназия № 5 (автор рассматривал ее как вариант завершения своего школьного образования, но выбрал Ришельевский лицей).

Впрочем, наш герой прожил в Одессе всего 22 года. После смерти матери, в 1910 году, он, подкопив денег, перебрался в США — достаточно обычная история для человека его национальности и его времени: Зельман хотел иметь хорошее образование, но с его "пятой графой" это ему не светило ни при каких обстоятельствах. Тем более сестры его уже жили в Нью-Джерси (кстати, как раз в этом штате чудил доктор Грегори Хаус). У девушек там была ферма.

Вероятно, именно почвенничество сестер (в буквальном смысле) и повлияло на карьеру Ваксмана. Он давно интересовался биологией, а фермерская жизнь, по его словам, вселила в него «желание выяснить химические и биологические механизмы земледелия и его основные принципы». "Рядом с землей я решил искать ответ на многочисленные вопросы о цикличности жизни в природе, которые начали вставать передо мной", — писал будущий нобелевский лауреат. В 1911 году он поступил в учебное заведение, которое в наше время стало престижным университетом (там, к примеру, трудится выдающийся биолог Константин Северинов), а тогда было всего лишь колледжем Рутгерса. Свой научный интерес Ваксман направил на изучение микробиологии почвы.

В 1915 году в его жизни произошли два важнейших события: он получил магистерскую степень и гражданство США. Теперь можно было полноценно заниматься наукой.

Удивительно, но в те годы (а, напомним, микробиология к тому времени уже движется в полный рост, свои "микробиологические" Нобелевские премии получили и Беринг, и Кох, и Росс с Лавераном, о которых рассказ еще впереди) роль микроорганизмов в почве почти вообще не учитывалась. А Ваксман этим заинтересовался. Уже в качестве студента-исследователя в Беркли, куда он временно перешел из Рутгерса, он заинтересовался актиномицетами (рис. 1а).

Рисунок 1. Актиномицеты и их замечательные метаболиты, выделенные Ваксманом. а — Actinomycetales («лучистые грибки») — порядок бактерий, образующих на некоторых стадиях жизненного цикла тонкие ветвящиеся нити. И к грибам — которые, как известно, эукариоты — не имеют никакого отношения! б — Актиномицин D, антибиотик-цитостатик, производимый стрептомицетами (Streptomyces parvulus), один из первых противоопухолевых препаратов. Действует преимущественно за счет подавления транскрипции. Благодаря особым предпочтениям в процессе связывания с ДНК актиномицин D и особенно его флюоресцентное производное 7-аминоактиномицин D (7-AAD) используют для визуализации ДНК и различения живых и мертвых клеток в микроскопии и проточной цитометрии. в — Стрептомицин, аминогликозидный антибиотик широкого спектра действия, производимый стрептомицетами (Streptomyces griseus). Блокирует 30S-субъединицу бактериальной рибосомы. Иногда применяется в качестве пестицида — для подавления роста водорослей в аквариумах, борьбы с грибковыми и бактериальными болезнями растений, особенно с бактериальным ожогом розоцветных.

Биотехнологии: накопитель энергии по типу папоротника

Накопитель энергии по типу папоротника

Хранение энергии было главным препятствием для широкого использования солнечной энергии, но в скором времени ситуация может измениться.

Новый электрод, разработанный двумя учеными в Королевском мельбурнском технологическом институте в Австралии, может стать ключевым моментом к значительно улучшенному хранению.

Их электрод, который основан на узорах папоротника, а именно многорядника защищённого, может увеличить емкость технологий для хранения энергии на ошеломляющие 3000 процентов.

Папоротник

Разработанный учеными электрод изготовлен из графена, и, согласно данным института, может открыть дверь для гибкой, тонкой технологии улавливания солнечных лучей и хранения энергии. Это позволило бы нам разместить тонкую пленку на смартфонах, автомобилях или зданиях, чтобы получать и хранить солнечную энергию.

Электрод предназначен для работы с суперконденсаторами, которые могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем обычные батареи. Суперконденсаторы объединили с солнечными батареями, но их более широкое использование в качестве хранилища энергии невозможно из-за их ограниченной емкости.

Профессор института Мин Гу (Min Gu) сказал, что новый дизайн привлек их внимание собственным гениальным решением природы, решая задачу наполнения пространства наиболее эффективным способом - через сложные самопересекающиеся структуры, известные как фракталы.

Листья папоротника

«Листья папоротника густо забиты жилами, что делает их чрезвычайно эффективными для хранения энергии и транспортировки воды вокруг растения», - сказал Гу, руководитель лаборатории искусственного интеллекта нанофтоники и заместитель вице-канцлера по исследованиям в области инноваций и предпринимательства в институте.

Листья папоротника

«Наш электрод основан на этих фрактальных формах, которые самовоспроизводятся, как миниатюрные структуры внутри снежинок, - и мы использовали этот естественный дизайн, чтобы улучшить хранение солнечной энергии на наноуровне.

Животные с протезами

Протезы изменили жизнь людей с ограниченными возможностями еще со времен древних египтян, которые впервые придумали протезирование частей тела, но лишь с недавнего времени искусственные конечности и другие устройства начали использоваться в помощь раненым и травмированным животным. Как правило, протезы получают домашние и фермерские животные-пациенты, но ученые также создали протезы для исчезающих видов, чтобы обеспечить выживание.

Представляем вниманию читателей список воодушевляющих животных, имеющих возможность провести более счастливую и наполненную жизнь благодаря протезам и людской доброте и отзывчивости.

Костюм для пингвина

Этот 26-летний африканский пингвин из Калифорнийской академии науки потерял главный перьевой покров, отчего он не мог плавать в воде, когда его товарищи резвились в водной стихии. «Он замерзал, его била дрожь», – говорит Пэм Шаллер – главный биолог академии. И она обратилась в компанию по поставке и производству оборудования для дайверов «Oceanic Worldwide». У Пьера появился новый защитный костюм. Старшие пингвины не отвернулись от него, чего опасались сотрудники академии. Более того, теперь, когда Пьер, наконец, согрелся, у него снова начали расти перья.

Детеныш пингвина носит гидрокостюм

Иллюзия сердца в помощь хирургу

Виртуальное сердце можно трогать и поворачивать

Виртуальное сердце парит прямо в воздухе, его предсердия и желудочки сокращаются в реальном времени. Его можно детально рассматривать под разными углами, поворачивать, приближать и совершать с ним различные манипуляции. Для этого даже не нужны 3D-очки.

Хирург может разрезать виртуальное сердце скальпелем и увидеть все его детали изнутри.

Ученые объявили о завершении клинических испытаний технологии 3D-голографической визуализации для проведения хирургических операций на сердце.

Интерактивное трехмерное изображение создается по информации, полученной при одновременном сканировании сердца рентгеновскими лучами и ультразвуком, то есть при проведении ангиографии и ультразвукового исследования.

В отличие от изображения на мониторе голограмма сердца объемна. Она точно передает анатомию органа.

Трехмерное голографическое изображение помогает кардиохирургу во время проведения операции.

На нем можно имитировать необходимые манипуляции и в зависимости от результата оперировать с реальным сердцем.

Речь идет о так называемых малоинвазивных операциях, таких как открытие закупоренных коронарных артерий, замена сердечных клапанов, введение катетеров для лечения сердечной аритмии. Специалисты компании Royal Philips (NYSE:PHG, AEX: PHIA) и фирмы RealView Imaging подтверждают, что голографическое изображение помогает производить эти операции гораздо точнее.

В пилотных испытаниях инновационной технологии приняли участие восемь пациентов Детского медицинского центра Шнайдер в Петах-Тикве, Израиль. Результаты этого испытания были представлены доктором Брукхаймером в рамках 25-го ежегодного симпозиума по транскатетерной сердечно-сосудистой терапии (ТСТ) в США, организованного Фондом исследований сердечно-сосудистых заболеваний.

По словам доктора Брукхаймера, «особенно полезной во время проведения сложных процедур представляется возможность видеть структуру органа и помечать анатомию мягких тканей сердца на картинке, получаемой с помощью ультразвука и рентгена». Он добавляет, что трехмерное голографическое изображение можно будет применять при электрофизиологических и других терапевтических процедурах.

«В отличие от традиционного изображения мы создаем полную оптическую иллюзию сердца, — говорит основатель и вице-президент RealView Imaging Шауль Гельман. — Наша технология очень точно реконструирует все основные точки и линии сердца и создает совершенно реалистичное полноразмерное цветное изображение высокого качества в реальном времени.

Оно дает полную свободу хирургу: его можно трогать, поворачивать, приближать и совершать с ним все необходимые манипуляции».

Силовые доспехи будущего: Экзоскелеты

Экзоскелет (в переводе с греческого, «внешний скелет») — не просто вспомогательный механизм. Это союз человека и машины, специализированный костюм, наделяющий своего оператора дополнительной мощью, манёвренностью и выносливостью, помогающий максимально быстро адаптироваться в любой ситуации. В комиксах, аниме и компьютерных играх с помощью экзоскелетов спасают миры, выживают на постапокалиптической Земле и становятся супергероями. Фантастика часто предугадывает для науки пути развития, но как скоро боевые роботы станут реальностью — и когда, наконец, изобретут броню Железного человека?

В погоне за прогрессом

Плоть человеческая слаба — и человечество испокон веков пытается с этой уязвимостью бороться. Стихийные катастрофы, войны, повышенный уровень радиации, чересчур высокое или низкое давление, гравитация либо полное её отсутствие — какой бы ни была опасность, принцип выживания во все века остаётся одинаковым: нивелируй угрозу прежде, чем угроза нивелирует тебя. Эволюция обделила человека черепашьим панцирем и шкурой броненосца, вот и приходится увеличивать свои шансы на выживание, заковывая себя в броню. Отжили своё кольчуги, им на смену пришли латные доспехи, потом появились бронежилеты. Параллельно создавались скафандры, незаменимые в глубоководных и космических экспедициях.

Экзоскелет Hardiman

Технологии совершенствовались, а проблемы оставались прежними — менялся только их масштаб. Так, использование брони и её аналогов упрямо сводит мелкую моторику к нулю, а внушительный вес обмундирования уменьшает время его активной эксплуатации: что в средневековых доспехах, что в современных скафандрах не получится долго передвигаться без постоянных перерывов на отдых. Решением стал экзоскелет — не стесняющий движений и повышающий человеческую грузоподъёмность.

Условно все экзоскелеты можно разделить на два вида: те, что восполняют утерянные возможности, и те, что усиливают имеющиеся. Первые разрабатываются в медицинских целях, вторые — ради самых разных задач, требующих расширения изначального человеческого функционала. По сути, усиливающие экзоскелеты — это аналог DLC в компьютерных играх, дополнение к базовой версии игры.

День cурка по-космодесантски:
взрывы, ксеносы и верный друг — экзокостюм!
(«Грань будущего», 2014)

Энергию экзоскелеты чаще всего получают из встроенных в систему аккумуляторов, но иногда можно встретить и модели с проводным подключением, где прототип всё время остаётся «на привязи». Экземпляры, работающие на внешних источниках энергии, называют «активными» — они популярны в военной и космической сферах. Активный экзоскелет, оснащённый бронёй и оружием, использовали, например, герои фильма «Грань будущего» (2014), отражая нападение инопланетных захватчиков. Подобные модели начинают разрабатывать и в реальности. Они значительно увеличивают скорость передвижения, силу и выносливость оператора, но есть у них и ряд недостатков — высокая цена, сложность и тяжесть конструкции, постоянная зависимость от уровня заряда батареи.

Есть и «пассивные» экзоскелеты: им не требуются ни аккумуляторы, ни провода. Они приводятся в действие силами самого оператора, работая на перераспределении кинетической энергии. Пассивные экзоскелеты нашли широкое применение в промышленности и медицине: они весят меньше, просты в использовании и финансово более доступны.

«Биологический Чернобыль»: Свердловск-19

За семь лет до катастрофы на Чернобыльской АЭС в СССР случилось масштабное ЧП, которое власти удалось скрыть от общественности и зарубежных стран. 4 апреля под Свердловском (ныне Екатеринбург) разгорелась эпидемия сибирской язвы. В больницы поступали десятки местных жителей с одинаковыми симптомами: температура под 40°C, слабость, тошнота, кашель и озноб.

За 2-3 дня состояние больных резко ухудшалось. Первичные симптомы переходили в боль в груди, кровавую рвоту, затруднения дыхания и шоковое состояние. Тело покрывалось трупными пятнами. Врачи не понимали, с чем имеют дело. Родственники отказывались забирать тела умерших. В Чкаловском районе Свердловска началась паника.

Происходящее быстро привлекло внимание мировой общественности — СССР заподозрили в нарушении Конвенции о запрещении разработки и производства биологического оружия. Тем не менее долгое время власти успешно скрывали природу эпидемии. Тогда «разработали целую программу по дезинформации общественного мнения в стране и мире», в рамках которой озвучили официальную версию: вспышка сибирской язвы произошла из-за мяса заражённого скота.

4 апреля в больницу №24 Свердловска начали массово обращаться жители Чкаловского района. Все поступали с одинаковыми симптомами, их состояние резко ухудшалось. В медицинском учреждении не было стационара, поэтому больница с терапевтическим корпусом на 100 пациентов оказалась не готова к резкому наплыву. Поступивших укладывали на каталки и кушетки в коридорах. Вскоре людей пришлось направлять в соседнюю больницу.

«Такой наплыв больных оказался совершенно неожиданным, часть из них мы поэтому повезли в „двадцатку“», — рассказывает главврач больницы № 24 в 1979 году Маргарита Ильенко. Вскоре ей позвонил главный врач „двадцатки“ Яков Клипницер: «Слушай, Ильенко, у нас тут двое твоих умерли... Похоже на пневмонию». Через некоторое время — снова звонок: «Я в панике: ещё трое скончались! Токсическая пневмония».

Антибиотики – неразборчивые убийцы

Антибиотики продаются только по рецепту по двум причинам. Во-первых, при неправильном применении патогенные бактерии способны приобрести устойчивость к лекарству, которое должно было их убить. Во-вторых, они уничтожают наши собственные полезные бактерии-симбионты, которые, как уже известно, так или иначе контролируют все физиологические функции и поведенческие реакции человеческого организма. Оказывается, что прием антибиотиков, губительный для микрофлоры человека, непосредственно влияет и на работу его иммунной системы, что подтвердили исследования проверки эффективности вакцинации от гриппа.

Знаете ли вы, что только в толстом кишечнике взрослого человека находится около 2 кг микроорганизмов! В человеческом теле живут 100 трлн бактерий (не считая вирусов и грибков), что во много раз больше числа его собственных клеток. Так что каждый из нас представляет собой своего рода суперорганизм, и управление его иммунными, гормональными и нервными функциями происходит, в том числе, и с помощью химических сигналов, посылаемых микробиомом.

Важнейшую роль в поддержании слаженного функционирования этого единого организма играет иммунная система человека. В исследованиях на животных получено много данных, подтверждающих ведущую роль микробиома в формировании иммунитета, однако подобные исследования на людях достаточно редки.

Недавно группа американских исследователей решила проверить, как прием антибиотиков, способных убить кишечную микрофлору, влияет на иммунный ответ человека на сезонную вакцинацию против гриппа.

Для этого взрослым здоровым добровольцам перед прививкой проводили пятидневный курс антибиотиков широкого спектра действия, что вызвало у них резкое падение численности и разнообразия кишечных бактерий. Известно, что подобные изменения микробиома естественным образом происходят у людей с возрастом. При этом пожилые люди в целом имеют более слабую иммунную систему, чем молодые, а вакцинация от гриппа вызывает у них рост уровня маркеров воспалительных процессов и изменение метаболизма желчных кислот, в регуляции которого участвует микробиом.

Оказалось, что после приема антибиотиков у здоровых молодых людей после вакцинации развились аналогичные явления. Что касается специфического эффекта прививки, то у этих людей не сформировался иммунитет по крайней мере против одного из трех вирусов гриппа, от которых должна была защитить сезонная вакцина.

Из результатов этого исследования следует, что прием антибиотиков, вызывающий долговременные стойкие нарушения кишечной микрофлоры, изменяет реакции иммунной системы на чужеродные антигены и снижает не просто эффект вакцинации, но и, по сути, общую устойчивость организма против инфекционных агентов, включая вирусы.

Что касается бактериальных инфекций, то следствием широкого и бесконтрольного использования антибиотиков наряду с возможностью горизонтального переноса генов между бактериями стало стремительное распространение среди них лекарственной устойчивости. За первое десятилетие XXI в. потребление антибиотиков в мире выросло на треть, при этом основной рост пришелся на Бразилию, Индию, Китай, Южную Африку и Россию. В частности, более 70% хронических больных принимают одни и те же антибактериальные препараты вне зависимости от тяжести своего состояния.

В результате уже сейчас из-за лекарственной устойчивости бактерий в мире ежегодно гибнет около 700 тыс. человек, а если ситуация с применением антибиотиков не изменится, то к 2050 г. это число достигнет 10 млн, что превысит смертность от онкологических заболеваний. Самостоятельное применение антибиотиков обычно неэффективно и вредно. Следует помнить, что они не действуют на вирусы и не сбивают температуру. Необоснованное применение антибиотиков ‒ основная причина их неэффективности из-за роста устойчивости возбудителей, а у детей, особенно грудного и раннего возраста, оно способствует ожирению, повышает риск развития бронхиальной астмы и воспалительных заболеваний кишечника.

Волшебные картины микрокосма

Электронная микроскопия дает ученым возможность заглянуть внутрь клетки, которую можно представить в виде Вселенной в миниатюре. И наши познания о ней также не имеют конца, как и познания о Космосе. Тем сильнее наше стремление заглянуть глубже и познать больше. С помощью современных оптических микроскопов ученые могут видеть только такие крупные компоненты клетки, как митохондрии и ядро. Но когда на помощь приходит сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, то пытливому глазу исследователя становятся доступны объекты размером в несколько нанометров...

Слева: дрожжевая клетка с удаленным фрагментом клеточной оболочки. Видно округлое ядрои цитоплазматические структуры. Справа: дрожжевые клетки под световым микроскопом. Стрелками показаны почкующиеся дрожжи.

В настоящее время электронная микроскопия (ЭМ) нашла широкое применение в микробиологии, вирусологии, биохимии, онкологии, медицинской генетике и иммунологии. Благодаря ЭМ раскрыта субмикроскопическая структура клеток, открыт ряд неизвестных ранее клеточных органелл, таких как лизосомы, рибосомы, эндоплазматический ретикулум, микротрубочки, цитоскелет и прочие структуры, специфичные для разных видов клеток. Электронная микроскопия позволила понять многие тонкие механизмы развития болезней, в том числе на ранних этапах их возникновения, еще до появления четкой клинической симптоматики.

Гипотетическая схема строения клеточного ядра

К сожалению, просвечивающая электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности клеточных структур, и лет пятнадцать назад вопрос о том, как заглянуть внутрь ядра и получить трехмерное изображение внутриядерных и околоядерных структур, был неразрешим. Дело в том, что тонкие срезы ткани, которые изучаются под микроскопами, являются двумерными срезами и не позволяют судить о трехмерной структуре клеточных компонентов. Трехмерное изображение можно получить после реконструкции сотен серийных срезов, но это длительный и трудоемкий процесс.

«Мембранная рапсодия».

Мембранные компоненты эндоплазматического ретикулума на поверхности ядра ооцита лягушки. Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – система пузырьков, цистерн и трубочек, связанных между собой в единое внутриклеточное пространство, отделенное от остальной части цитоплазмы замкнутой внутриклеточной мембраной. Эта сеть пронизывает все цитоплазматическое пространство клетки и состоит из двух типов ЭПР – шероховатого, покрытого рибосомами и гладкого, без рибосом. Главной функцией эндоплазматического ретикулума первого типа является биосинтез (с помощью рибосом), модификация и транспортировка белков. ЭПР второго типа обеспечивает синтез липидов и полисахаридов. Мембраны ЭПР тесно взаимодействуют с различными органеллами клетки, а также с ее плазматической мембраной и ядерной оболочкой, в формировании которой при делении и росте клеток они принимают активное участие.

Биологическое оружие

Миф о бактериях

Биологическое оружие часто ошибочно отождествляют с опасными микроорганизмами. Между тем это противоречит самому определению, данному в первой статье международной Конвенции о запрещении разработки, производства и накопления запасов бактериологического (биологического) и токсинного оружия и об их уничтожении (КБТО), к которой присоединились 163 страны мира, включая Россию, США и Китай.

В ней понятийно разделяются «биологические агенты и токсины» и «оружие, оборудование или средства доставки, предназначенные для использования таких агентов или токсинов во враждебных целях или в вооруженных конфликтах». При этом КБТО ставит первые в зависимость от второго, и это важно.

КБТО. Статья I. Каждое государство — участник настоящей Конвенции обязуется никогда, ни при каких обстоятельствах не разрабатывать, не производить, не накапливать, не приобретать каким-либо иным образом и не сохранять: 1) микробиологические или другие биологические агенты или токсины, каково бы ни было их происхождение или метод производства, таких видов и в таких количествах, которые не предназначены для профилактических, защитных или других мирных целей; 2) оружие, оборудование или средства доставки, предназначенные для использования таких агентов или токсинов во враждебных целях или в вооруженных конфликтах.

Дело в том, что формулировки конвенции готовили специалисты, которые в 1950—1960-х годах занимались разработкой биологического оружия, изучали его поражающее действие в полигонных условиях. Они понимали разницу между искусственно вызванными вспышками инфекционных болезней и естественно возникающими эпидемиями. Для них не было особого секрета в том, что эпидемии развиваются в результате активизации очага возбудителя инфекционной болезни — территории, где он сохраняется в природных резервуарах. В таком очаге складываются условия, благоприятствующие передаче возбудителя людям, — например, инфицируются переносчики (блохи, клещи, комары, грызуны и т. д.) или микроорганизм попадает в воду, в пищу и уже с ними — в организм человека.

Для решения боевой задачи с помощью вспышки инфекционной болезни биологический агент необходимо доставить к цели, туда, где его не было. Туда, где нет условий ни для его сохранения в природе, ни для проникновения в ту группу людей, которая рассматривается в качестве мишени. Словом, понадобится авиабомба либо другой носитель, например крылатая ракета, — все то, что в КБТО фигурирует под обобщающим понятием «средства доставки». Впрочем, такими техническими средствами доставка далеко не заканчивается. Биологический агент должен вызвать поражение противника. А между тем боевые микроорганизмы — это не отравляющие вещества вроде иприта или зарина, быстро проникнуть в организм через кожу они неспособны. Поэтому требуется найти пути введения таких агентов в кровь или легкие предполагаемых жертв.

Болезни естественные и не очень

Исторически первый подход, который пытались использовать японские военные в 1930-х годах, состоит в использовании зараженных насекомых. Однако проведенные печально знаменитым «отрядом 731» эксперименты над военнопленными, а также неудачные попытки инициировать в 1941 году вспышки чумы в городах Центрального Китая с помощью сброшенных с самолета зараженных блох показали, что насекомые не могут быть использованы для военных целей в силу непредсказуемости своего поведения, хрупкости тела и сложности жизненного цикла.

Функциональная компьютерная модель головного мозга

 Нейробиологи из Университета Ватерлоо утверждают, что создали самую сложную и масштабную модель человеческого мозга. С помощью open source нейросимулятора Nengo на суперкомпьютере они эмулировали работу 2,5 миллионов нейронов, разделённых по функциональности, в соответствии с реальными отделами человеческого мозга.

В отличие от IBM Watson и прочих систем, виртуальная модель под названием SPAUN (Semantic Pointer Architecture Unified Network) создавалась не для решения практических задач, а для максимально реалистичного моделирования работы человеческого мозга. Например, в проекте Blue Brain специалисты IBm ориентировались на создании точной пространственной модели, но не учитывали функционального различия отделов мозга.

Ввод данных в SPAUN осуществляется через цифровой «глаз» с разрешением 28х28 (784) пикселов. Других способов ввода информации не предусмотрено. Ему можно показать ряд цифр и знаков, которые передаются в память. Система воспринимает некоторые знаки как команды, которые нужно выполнить. Результат вычислений SPAUN записывает механической «рукой».

Интересно то, что информация обрабатывается компьютером примерно так же, как это делает человеческий мозг, насколько известно нейробиологам на сегодняшний день. В системе есть префронтальная область, подкорковые ядра, базальные ганглии, таламус и т.д. Нейробиологи постарались запрограммировать обработку информации как можно ближе к природной. Зрительные сигналы поступают в зрительный отдел коры, затем в таламус. Таламус отвечает за перераспределение информации к разным районам коры головного мозга. Базальные ганглии контролируют поток информации через префронтальную область, обновляя её в соответствии с текущей необходимостью.

Например, если в текущий момент нужно приготовить еду — в префронтальную область загружается необходимая последовательность действий. В случае экстренной необходимости эта информация стирается — и загружается информация об управлении автомобилем. Человек способен очень быстро переключиться с одной задачи на другую — обладает чрезвычайно высокой когнитивной гибкостью, — благодаря базальным ганглиям и долговременной памяти.

В симуляторе SPAUN учёные заложили также ограничения, свойственные человеческому мозгу. Например, система не может сохранить в оперативной памяти слишком длинную последовательность знаков.

Сейчас нейробиологи работают над тем механизмом самообучения и перезаписи нейронов в «мозге», чтобы SPAUN смог перепрограммировать себя и обучаться новым задачам.

Симулятор Nengo и саму нейромодель SPAUN можно скачать здесь: spaun.zip.

Научная работа специалистов из университета Ватерлоо опубликована в журнале Science (за платным файрволом). Бесплатные копии: 1, 2, 3.

Разработка криоэлектронной микроскопии

«Метод криоэлектронной микроскопии перевел биохимию в новую эру» – ​эти слова прозвучали в 2017 г. на церемонии вручения Нобелевской премии по химии. Бесспорно, новый мощный и прорывной метод открыл для ученых новые возможности. Однако для многих решение Нобелевского комитета выглядело несколько странным: все-таки химия – ​наука о веществах и их превращениях. С другой стороны, неплохо отметить развитие метода, который действительно позволяет исследовать структуру макромолекул и других биологических объектов в нативном состоянии. Не нужно думать, что криоэлектронная микроскопия – ​только микроскоп. Прежде всего это – ​комплекс сложных и дорогостоящих процедур подготовки образцов, требующий высокой квалификации исследователя. Три нобелевских лауреата, Жак Дюбоше, Иоким Франк и Ричард Хендерсон, внесли свой вклад в совершенствование этого метода.

Схема получения в электронном микроскопе серии двумерных изображений молекулы белка, которую снимают под разными углами и затем реконструируют в трехмерную структуру. Внизу – реконструкция комплекса белков Frh грибка Neurospora, изображение приводится в псевдоцветах. Раскрашивать можно как угодно, но на самом деле все биологические объекты полупрозрачны, а на экране цифровой камеры электронного микроскопа – черно-белые. 

© MPI Biophysik

Электронная микроскопия стала необходимым инструментом ученых, работающих в разных областях, в том числе ученых-биологов. В электронном микроскопе образец подвергается действию пучка электронов, вакуума и высоких температур, что не позволяет изучать клетки и другие объекты без предварительной обработки. Последняя, несомненно, влияет на тонкую структуру, и перед исследователями стояла задача разработать метод изучения объектов в нативном состоянии. Метод замороженных срезов, используемый в световой микроскопии, стал одной из основ разработки аналогичного метода для микроскопии электронной. Суть же криоэлектронной микроскопии – ​изучение в электронном микроскопе замороженных образцов. Воздействие высокой температуры в криоэлектронном микроскопе нивелировали охлаждением образца жидким азотом, а вот проблема кристаллизации воды при замораживании потребовала отдельного решения.

Роботизированный катетер

© Кадр из видео Fagogenis et al. / Science Robotics

Специалисты из США, Франции и Тайваня разработали роботизированный катетер, который может самостоятельно пробраться к своей цели внутри организма и выполнить хирургическую операцию в живом сердце. Управляют катетером алгоритмы машинного обучения, имитирующие способность раков и насекомых ориентироваться в пространстве.

Один из трендов современных медицинских технологий — неинвазивная или малоинвазивная хирургия, то есть с минимумом разрезов. Чем меньше у пациента после операции разрезов, тем быстрее он восстанавливается. После операции пациент испытывает меньше боли, не рискует занести в рану инфекцию, а на его теле останется меньше шрамов

Специалисты из Гарвардской медицинской школы, Университета Страсбурга и Тайбейской больницы для ветеранов в Тайване разработали роботизированный катетер, который копирует способ передвижения в пространстве, используемый, например, раками и тараканами.

Эти животные ориентируются в пространстве с помощью усов, на ощупь определяя, есть ли рядом с ними какой-нибудь объект, и затем двигаются, слегка касаясь этого объекта. Такой способ ориентирования подходит при плохой видимости или просто в новых для животного условиях. Он напоминает поведение человека, который в кромешной темноте идет, слегка касаясь пальцами стены, чтобы таким образом ориентироваться в пространстве.

Алгоритм машинного обучения, управляющий навигацией робота, заставляет катетер двигаться вдоль поверхности, не приближаясь и не отдаляясь. Для этого его натренировали определять, где поверхность, а где не поверхность, на трех видах снимков — крови, ткани стенки сердечного желудочка и аортального клапана.

Катетер после введения в сердце аккуратно прикасался к стенке сердца, а затем следовал вдоль нее, достигая нужного места — собственно клапана. Алгоритм по мере продвижения катетера преобразовывал тактильную информацию, которую получал при помощи датчика давления, в визуальную (процесс, называемый тактильным зрением). Это было нужно, чтобы за катетером мог следить специалист. Кроме того, катетер оснащен камерой миллиметрового размера и светодиодом, чтобы врач мог все же что-то рассмотреть при максимальном приближении катетера к ткани.

Медик наблюдает за тем, как робот двигается по сердцу.

Fagogenis et al., Sci. Robot. 4, eaaw1977 (2019)

Этот катетер испытали в операции по закрытию аортальной приклапанной утечки — повреждения, которое возникает у пациентов с искусственным клапаном: иногда между клапаном и кольцевым пространством сердца (местом, куда входит артерия) открывается зазор, через который кровь изливается обратно в сердце, а такого быть не должно. Чтобы закрыть утечку, до нее нужно добраться катетером, пропустить его через зазор, а затем закрыть его специальной повязкой-окклюдером.

Такую операцию провели на свиньях, которым предварительно установили искусственные аортальные клапаны, специально «подтекающие». Для верности ученые сравнили три операции: сделанную автономным катетером, сделанную врачом-оператором, который управляет катетером удаленно через джойстик, и сделанную врачом вручную.

Имплант и бионический глаз вернули часть зрения полностью ослепшему человеку

Джейсон Эстерхьюзен

Джейсон Эстерхьюзен потерял зрение в результате аварии в 2011 году. Несколько месяцев назад Эстерхьюзен согласился на установку экспериментального устройства под названием Orion. Снаружи Orion выглядит как пара солнцезащитных очков с небольшой камерой и блоком обработки видео (VPU). Изображение с камеры преобразуется в электрические импульсы, после чего имплант с 60 электродами посылает их в мозг.

Мозговой имплант — это то, что отличает Orion от Argus II и других бионических глаз. Последние не требуют операции на мозге, вместо этого электроды подключены к глазному нерву. Однако такие устройства требуют, чтобы осталась хотя бы часть функционирующих клеток. Orion, в отличие от них, «обходит» глаза и зрительный нерв: имплант вживляется прямо в мозг, благодаря чему устройство можно использовать при полной слепоте.

«Для использования системы, которую мы тестируем, вам даже не нужны глаза, чтобы аппарат работал», — сообщил Надер Пуратян, нейрохирург из медицинского центра UCLA Рональда Рейгана, который имплантировал устройство Эстерхьюзену.

Имплант и бионический глаз

Помимо Эстерхьюзена, в клинических испытаниях участвуют ещё пять человек. Все они потеряли зрение по разным причинам — в результате травмы, повреждения зрительного нерва, глаукомы и других болезней. После операции специалисты поочерёдно проверяли каждый из 60 электродов чипа, чтобы проверить, сколько импульсов необходимо получить пациенту, чтобы увидеть свет. Это позволило им создать индивидуальную программу работы Orion для каждого участника испытаний.

Сейчас зрение Эстерхьюзена и других пациентов частично восстановлено. Хотя они пока не могут читать, видеть цвета или чёткие очертания предметов, но они способны отличать свет от темноты и распознавать движущиеся объекты. Участники программы регулярно проверяют работу устройства с помощью медиков. В ходе одного из испытаний они смотрят на черный экран и указывают на белый квадрат, который периодически появляется в разных местах. В большинстве случаев они распознают изображение успешно. Это зрение нельзя назвать близким к естественному, но устройство позволяет участникам выполнять повседневные задачи, которые раньше им были недоступны.

В качестве меры предосторожности имплант был вживлён только в левую часть мозга, и пациенты могут воспринимать визуальные сигналы только справа. Если испытания пройдут успешно, Second Sight планирует имплантировать чипы с обеих сторон. Компания также работает над тем, чтобы улучшить разрешение и диапазон зрения и увеличить число имплантированных электродов до 150–200, чтобы достичь более естественного восприятия.

Тем не менее, как пишет портал OneZero, технология пока находится на начальном этапе развития и нуждается в дополнительных исследованиях. Главная проблема Orion — безопасность. У одного из участников испытаний произошёл эпилептический приступ после имплантации устройства. Электроды в головном мозге также могут вызвать образование рубцов, что приводит к тому, что устройство перестаёт работать, поэтому неясно, как долго продержатся эти импланты. По словам представителей Second Sight, электроды, используемые в устройстве Orion, должны работать не менее пяти лет. Это означает, что пациенты, вероятно, в конечном итоге потеряют то частично восстановленное зрение, которое они приобрели с помощью устройств.

Как бактерии-биосенсоры находят загрязнители?

Биосенсоры это устройства, включающие биогенный распознающий элемент. Эта распознающая часть может состоять из клеток, антител, ДНК, РНК, ферментов и рецепторов. Биологический процесс трансформируется биосенсром в электрический или оптический сигнал, который можно принять и интерпретировать. Часто распознающем элементом являются белки, но их не всегда легко получить, и для работы их могут понадобится особые условия или кофакторы. Поэтому иногда проще отказаться от получения очищенных молекул и использовать в качестве чувствительного элемента целые клетки, например бактерии или дрожжи.

Такие микроорганизмы-биосенсоры гораздо более стабильны и менее требовательны к условиям хранения, чем очищенные белки. Их получение требует меньших затрат, поскольку они не требуют сложных процедур очистки. Кроме того, они, как полноценные биологические системы, содержат сами по себе необходимые кофакторы, и их внутренняя среда - естественная для протекания биохимических превращений. Микроорганизмы используются в составе биосенсорных систем для решения различных задач, в частности – для выявления загрязнителей в окружающей среде.

Биодоступность - способность соединения взаимодействовать с живыми организмами нефизическим путём, адсорбироваться клетками и тканями организма. Она характеризует не только опасность загрязнителя, но и возможность его биоремедиации. Например, тяжёлые металлы в почве или на дне водоёмов часто становятся биодоступными только переходя в раствор. Однако и в растворённом виде, и в виде частиц тяжёлые металл, если верить биосенсорам, не является биодоступным на все 100%. Как правило, биодоступны 50 – 0,1% содержащегося в образце металла. С помощью биосенсоров можно оценить соотношение вещества в биодоступной форме и сравнить этот показатель с общей концентрацией, установленной химическими методами.

В основе работы биосенсора, как правило, лежат сигнальные и метаболические пути, которые уже существуют в природе. Однако, чтобы использовать эти возможности было проще, как правило, гены, кодирующие соответствующие продукты переносят в клетки кишечных палочек, или других устойчивых и простых в обращении микроорганизмов. Сигнал биосенсора может иметь различную природу. Это и изменение pH среды, то есть электрохимический сигнал, который можно определить электродами, и различные виды оптических сигналов – изменение цвета за счёт формирования цветного продукта, накопление флюоресцентных продуктов или биолюминесценция. Например, регулятор роста растений α-нафталин уксусной кислоты и пестицид линдан разрушаются с образованием кислоты.

Иммобилизация микроорганизмов, способных осуществлять ткие процессы на электроде позволяет создать электрохимический сенсор. Гидролиз фосфорорганического пестицида параоксона идёт с образованием жёлтого p-нитрофенола, и этот процесс можно детектировать по изменению цвета. Однако в ряде случаев не удаётся найти адекватную реакцию, которая могла бы дать легко детектируемый продукт или существенное изменение характеристик среды. В таких случаях применяются гены, продукты которых, репортерные белки, катализируют реакции, детектируемые по изменению цвета или люминесценции, или способны к флюоресценции. β-галактозидаза, например, может взаимодействовать с различными субстратами, образуя окрашенные, люминесцентные и электрохимические продукты. Множество описанных флюоресцентных белков, а также люциферазы и их субстраты, люциферины, которые превращают энергию гидролиза АТФ в люминесцентный сигнал, могут быть источником свечения, которое будет ответом биосенсора на стимул.

Одним из наиболее распространённых вариантов механизма работы микроорганизма-биосенсора, является пара «транскрипционный регулятор – промотор». Под промотор помещается ген того или иного репортерного белка и детектируется его синтез в ответ на сигнал. Такие сенсоры могут выявлять мишени, вызывающие ответ у микроорганизмов – наличие тяжёлых металлов, антибиотиков или токсинов в окружающей среде.

Как правило, для биосенсоров, действие которых основано на активации промотора в ответ на присутствие тяжёлых металлов, используются уже существующие промоторные последовательности. Это промоторы генов, продукты которых защищают микроорганизмы от воздействия тяжёлых металлов. Такие системы могут обеспечивать устойчивость к свинцу, ртути, кадмию, мышьяку, серебру, сурьме, токсичным даже в малой концентрации, и к металлам, которые опасны только в повышенных концентрациях – цинку, железу, никелю, меди, кобальту и хрому. Некоторые системы очень специфичны: гены isiAB Synechococcus sp, copBC Pseudomonas fluorescens и pbrR и chrA Cupriavidus metallidurans отвечают только на присутствие железа, меди, свинца и хрома соответственно.

У Escherichia coli, напротив, arsR отвечает на присутствие мышьяка, кадмия и сурьмы, cadC активируется кадмием, свинцом, сурьмой, цинком и оловом, а zntA - кадмием, хромом, ртутью, свинцом и цинком. Во всех вышеуказанных случаях активируются системы защиты, однако описана цианобактерия, у которой в ответ на присутствие некоторых потенциально опасных металлов активируются системы, обеспечивающие поступление необходимых ей металлов в клетку. Такая система была бы более чувствительной к низким концентрациям. Пара регулятор-промотор XylR и Pu, найденная в пути деградации ксилола Pseudomonas sp и может применяться для выявления ксилола, бензола и толуола, а пара DmpR и Po аналогичным образом может использоваться в биодетекторе фенолов.

Однако есть и другие механизмы работы биосенсоров. Чувство кворума управляется низкомолекулярными соединениями, которые распространяются на несколько микрон вокруг клетки, например ацил-гомосеринлактонами. Под контролем систем чувства кворума находятся продукция факторов вирулентности, формирование биоплёнок, биолюминесценция, состояние компетентности, споруляция и другие процессы. Когда E.coli, продуцирующая GFP в осциллирующих количествах, была выращена в микрофлюидных каналах под контролем системы чувства кворума, которая, в свою очередь, была помещена под промотор, активируемый в присутствии мышьяка, в присутствии мышьяка осцилляция флюоресценции учащалась.