Нанотехнологии – прорыв в ранней диагностике рака

Лаборатория нано-биоинженерии в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ, возглавляемая профессором Игорем Набиевым, была создана по итогам конкурса мегагрантов, проведённого Минобрнауки России с целью привлечения ведущих учёных в российские вузы. Игорь Руфаилович, выпускник МИФИ, в годы перестройки уехал работать в США, а потом принял приглашение возглавить лабораторию в Реймском университете провинции Шампань-Арденн во Франции, где сделал успешную карьеру ученого от руководителя отдела до директора Европейской технологической платформы. Корреспондент «Вечерки» побеседовал с профессором Игорем Набиевым о том, над чем сейчас работает его лаборатория в МИФИ.

- Игорь Руфаилович, одно из направлений работы лаборатории - применение флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов в биологии и медицине. Можно поподробнее рассказать об этом?

- Совместно с НИИ эпидимеологии и микробиологии им. Гамалеи и Российским онкологическим научным центром им. Блохина мы работаем над созданием и применением нового поколения флуоресцентных меток, которые нашли свое применение в диагностике многих заболеваний, в частности, рака. Технология диагностики известна: мышам вводят «плохие» раковые белки, у грызунов начинают вырабатываться антитела, которые очень хорошо распознают «плохие» клетки и умеют прикрепляться именно к ним. Эти антитела вводят в пробу крови пациента или обрабатывают ими срезы ткани биопсии человека, и уж если находятся мишени, к которым прикрепляются эти антитела – увы, значит, «плохие клетки» уже есть в организме человека, хотя пока они никак себя не проявляют. Чтобы увидеть антитела и факт их связывания с «плохими» раковыми клетками - в них вводят флуоресцентные метки. Сейчас традиционно используются органические светящиеся соединения, флуорофоры. Но не так давно в качестве маркёров начали применять полупроводниковые нанокристаллы, которые стали называть «квантовыми точками».

- Диагностика с помощью нанокристаллов более точная по сравнению с существующими методами?

- Да, конечно. Дело в том, что эти квантовые точки настолько сильно светятся (флуоресцируют), что отчетливо видны как отдельные кристаллики под обычным микроскопом. Кроме этого, нанокристаллы не разрушаются на свету. Так, органические метки при облучении светом флуоресцируют около секунды, и зачастую маркёр просто не успевает пометить раковую клетку, прежде чем станет невидимым.

- Полупроводниковые метки более «живучие»?     

- Значительно! Во-первых, нанокристаллы светятся сутками даже при их интенсивном освещении! Это дает возможность лучше распознать и изучить исследуемый материал и даже следить за развитием болезни во времени. Во-вторых, полупроводниковые маркёры более яркие! Они поглощают свет в очень широком спектральном диапазоне, причем их способность поглощения превосходит органику в тысячи раз! А значит, они способны и испустить намного больше света и являются несравнимо более яркими метками, чем их органические аналоги, что позволяет провести более раннее диагностирование и отчетливее разглядеть картину распространения заболевания.

Ну и самое главное, переход к новым нанотехнологиям открыл путь создания маркёров из одного и того же материала, но со спектром свечения, покрывающим весь диапазон цветов радуги, от фиолетового до ярко красного. То есть облученные одной лампой или лазером, они испускают несколько цветовых оттенков. Это важнейшее свойство дает возможность проводить очень точную диагностику, детектируя (определяя – Прим. авт.) одновременно огромное количество параметров заболевания.

- Понятно, что раз речь идет о «нано» кристаллах, то это «нанотехнологии»…

- Дело в том, что многие неправильно понимают слово «нанотехнологии» и думают, что все определяется размером частиц. Если дошли до нанометра – вот вам и «нано». Но это не так. Приставку «нано» можно использовать лишь в том случае, когда уменьшение размеров объекта ведет и к изменению его свойства, например, меняется проводимость, цвет, механические и другие параметры. Так происходит с полупроводником селенидом кадмия, с которым мы работает. Например, кристалл этого материала с размером 4 нм издает поразительно яркое фиолетовое свечение, 5 нм – зеленое, 5,5 нм – оранжевое, а 6 нм – красное. Вся проблема была в том, чтобы научиться выращивать кристаллы гомогенного размера и сделать их стабильными в биологических жидкостях и тканях. У нас отлажена и запатентована эта технология, и уже сейчас в нашей лаборатории мы можем продемонстрировать палитру нанокристаллов из девяти цветов!

- Что дает эта «палитра»?

- Разные по цвету и интенсивности излучения света кристаллы могут прикрепляться к разным антителам, а сочетание многих комбинаций увеличивает возможности диагностики во много раз. Так, система с 3 цветами и 10 уровнями интенсивности дает 999 вариантов, а использование 6 цветов позволяет получить миллион распознаваемых меток. Вообще, возможно реализовать такое количество комбинаций маркёров, которое позволит пометить каждый ген человеческого генома! То есть по одному анализу крови вам могут выдать заключение о состоянии вашего здоровья по многим позициям. Это тот путь, по которому сейчас направляются усилия во всем мире. В России также создаются крупные центры, в которые свозятся пробы на диагностику. Ведь известно, что болезнь легче предупредить, чем потом лечить. И тот же рак во Франции не считается страшной болезнью (!). Случается, что встречаясь после некоторого перерыва, французы запросто говорят, что переболели раком примерно так же, как мы говорим о гриппе, и достигается это за счет возможности определить болезнь на самой ранней ее стадии.  

- То есть нам тоже осталось перейти на массовое изготовление новых маркёров и оснащение наших центров?

- Не все так просто. Конечно, работы по нанокристаллам достаточно сложны. И за нынешними успехами лаборатории стоят годы и годы работ ученых во всем мире. Так, достаточно долго не могли добиться устойчивости кристаллов, которые сразу же после изготовления и перевода в водную фазу норовили собраться в единый комок (процесс агрегации). В итоге научились делать покрытие несколькими слоями сульфида цинка и органических молекул. Следующей фазой работ была разработка технологии присоединения (конъюгации) с белками, пептидами и нуклеиновыми кислотами. В итоге, научились заключать нанокристаллы в такую органическую оболочку, которая дала возможность присоединять их к «распознающим» биологическим молекулам: антителам, ДНК и т. д. Словом, оперативное картирование большого количества маркёров опухоли, проводимое в параллель, в формате одного клинического теста – это новый шаг к персонализированной медицине будущего и настолько ранней диагностики, которая позволит проводить терапевтическое лечение даже самых опасных заболеваний.

- Можно сказать, что нанотехнологии входят в медицину будущего и определяют направление ее развития?

- Да, безусловно. Недаром «нано-био» направление признано приоритетным во всех индустриально-развитых странах мира. Так, сейчас разрабатывается, например, еще одна очень важная область применения новых маркёров – контроль доставки нано- и микроконтейнеров с лекарствами в нужное место. Такой оптический контроль за локализацией в клетках и тканях лекарств существенно облегчит разработку медикаментов новых поколений.