IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

 

 «Прогресс науки определяется трудами ее ученых и ценностью их открытий» 

Л. Пастер

Не смотря на громкие заявления консерваторов о том, что человек уже постиг все, что доступно его разуму, каждый день ученые всего мира совершают открытия. Однозначно, некоторые из этих открытий не известны нам, так как в последующем они не проходят испытаний или не имеют финансовой поддержки, некоторые могут облегчить нашу повседневную жизнь и обладают массой достоинств, о существовании других мы можем только догадываться. Огромное значение имеет доля открытий, приходящихся на такие науки как биохимия, микробиология, фармакология и открытий в области медицины в целом. Только они имеют самую великую ценность и значимость - способность спасти человеческую жизнь или как минимум продлить её. Как раз об одном из таких открытий я хочу написать в своей статье.

Онкологический диагноз часто считают приговором или карой за совершенные поступки, хотя подобные восприятия данного заболевания совершенно ошибочны. Ежедневно в организме каждого из нас образуются опухолевые клетки. Они отличаются от нормальных здоровых клеток не только формой, но и способностью к бесконтрольному делению и проникновению в другие ткани. Клетки становятся злокачественными из-за поломок в геноме и последующей мутации ДНК. Некоторые генетические дефекты или перенесенные заболевания могут стать причиной развития рака. Кроме того на частоту мутаций и образование раковых клеток влияет окружающая среда и образ жизни. Употребление алкоголя, курение, ожирение, нарушение гормональной функции так же являются факторами для развития данного заболевания.

К сожалению, рак может развиться у любого человека. По статистике более 65% раковых клеток выявляются у людей старше 64 лет. Именно поэтому на сегодняшний день онкология - одно из наиболее бурно развивающихся направлений медицины. За последние годы появилось много препаратов и методик, которые помогают эффективно лечить рак, продлевать жизнь больных или улучшать качество жизни. Одной из таких методик является использование фототоксических белков.

Открытие фототоксических (флуоресцентных) белков связано с именем знаменитого японо-американского ученого Осамой Симомурой, который в 1960 году переехал из Японии в Пристонский университет и начал изучать механизм свечения двух флуоресцентных белков, выделенных из биолюминисцентной медузы Aequoreavictoria. Как оказалось в A. Victoria взаимодействие ионов кальция с экворином вызывает синее свечение белка, которое далее переносится на зеленый флуоресцентный белок GFP и вызывает преимущественно зеленое свечение медузы. За данное открытие в 2008 году О. Симамомура получил Нобелевскую премию. Применение зеленого флуоресцентного белка в молекулярной биологии началось лишь в 1990-х годах, когда стало известно, что этот белок может принимать нативную конформацию и образовывать флуорофор при комнатной температуре без добавления дополнительных кофакторов, что обеспечило его применение в качестве маркера в клетках многих организмов.

менно на основе зеленого флуоресцентного белка ученым из лаборатории молекулярных технологий Института биоорганической химии в Москве удалось разработать фототоксический флуоресцентный белок Killer Red. Он обладает красным свечением и при воздействии на него зеленого цвета начинает проявлять свои токсические свойства – выделять перекись водорода и повреждать находящиеся рядом клетки. Благодаря этому уникальному свойству, ученые получили возможность использовать этот белок для медицинских целей, а так же для научных исследований при изучении внутриклеточных сигнальных путей с участием активных форм кислорода.

У полученного позднее флуоресцентного белка mini SOG совсем другое происхождение. Его извлекли из домена рецептора растений, отвечающего за восприятие синего спектра, с использованием методов генной инженерии. В его составе присутствует молекула флавинмононуклеотид, имеющая небелковое происхождение и представляющая собой кофактор группы ферментов, ускоряющих реакции окисления-восстановления. Если на mini SOG воздействовать излучением синего спектра, этот белок продуцирует синглетный кислород, отличающийся очень высокой токсичностью. Это свойство данного белка возможно использовать для лечения рака с помощью фотодинамической терапии, то есть способом, где массовая гибель злокачественных клеток обеспечивается применением комбинации фотосенсибилизаторов и светового облучения видимого спектра.

Таким образом, весьма перспективной задачей представляется изучение характера и эффективности воздействия mini SOG на жизнестойкость клеток разных органелл. Сейчас ведутся исследования клеток с белком mini SOG, присутствующим в ядре, митохондриях, а также, в мембране. Установлено, что клетки с этим белком гибнут при облучении их синим цветом. Самая высокая вероятность смерти клетки (приблизительно 90%) наблюдается, когда mini SOG присутствует в её мембране. Различается и механизм гибели клеток, в зависимости от того в какой именно из них присутствует mini SOG. К примеру, если он расположен в ядре и митохондриях, причиной гибели клетки становится апоптоз.

Присутствие в клетке mini SOG становится причиной весьма серьезных нарушений. Доказано, что после воздействия излучения синего спектра на клетки, в ядре которых присутствует mini SOG, запускается процесс сборки комплексов восстановления ДНК-структуры при участии белка XRCC1, одной из важнейших составляющих репарации ДНК. Если белка mini SOG в клетке нет, то эти комплексы в клетке не образуются (ни после воздействия облучения, ни без него).

Можно утверждать, что именно наличие в клетках mini SOG оказывается причиной их гибели под воздействием облучения светом видимого спектра. Присутствие данного белка вырабатывает у клеток «светобоязнь», то есть уязвимость к облучению видимым светом, который обычно не опасен ни для клеток, ни для состоящих из них органов или организмов. Это свойство позволяет эффективно применять mini SOG в качестве молекулярного биологического инструмента для медицинских и генно-инженерных исследований.

Вполне естественен интерес и к перспективам использования mini SOG для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии. Особенно, учитывая ряд недостатков химических фотосенсибилизаторов, используемых сейчас. Важно, что эти фотосенсибилизаторы нельзя ввести исключительно в злокачественные клетки, они расходятся по всему организму больного, хотя согласно проведенным исследованиям, в наибольших концентрациях накапливаются именно в раковых опухолях. Однако и сравнительно небольшая концентрация фотосенсибилизаторов в здоровых клетках организма больного вызывает ряд негативных эффектов. Таким больным противопоказано продолжительное пребывание на солнце (и даже в хорошо освещенном месте (в том числе помещении), которое приносит им вред и сопровождается болевыми ощущениями. К тому же, химические фотосенсибилизаторы накапливаются в разных клеточных органеллах, что сильно затрудняет прогнозирование механизма гибели клеток, а гибель клеток в результате некроза сопровождается воспалительными реакциями, усугубляющими и без того тяжелое состояние пациента.

Эти проблемы можно решить внедрением в медицинскую практику генетически нацеленных фотосенсибилизаторов вроде mini SOG или/и Killer Red. Если к последовательности гена фототоксичного белка «привязать» последовательность, указывающую на определенную органеллу, то именно в ней и станет накапливаться данный фотосенсибилизатор. Такой метод позволит осуществлять надежный контроль распространения фотосенсибилизатора в клетке.

Другая важнейшая задача заключается в обеспечении внедрения фототоксичного белка именно в злокачественные клетки и никуда более. Сейчас её можно решить путем применения вирусных частиц адресной доставки. Суть этой методики такова: прежде всего, применяются вирусные частицы с удаленной (весьма существенной) частью их генома, чем обеспечивается отсутствие у них способности размножаться. Этим гарантируется безопасность применения вирусных препаратов. Далее в вирусную частицу вводится ген фотосенсибилизатора. Таким образом, обеспечивается свойство фототоксичности. Кроме того, поверхность вирусных частиц снабжается молекулами антител к антигенам, которые имеются на мембране исключительно злокачественных клеток. Это позволяет гарантировать адресность доставки фототоксического белка.

Но реализация данного метода требует преодоления определенных сложностей и проведения ряда дополнительных исследований. Так, сейчас далеко не для всех форм онкологий установлены специфические антигены, которые бывает достаточно сложно обнаружить. Ведь антигенная структура злокачественных клеток может отличаться большим разнообразием, либо не иметь отличий от доброкачественных клеток. Сейчас установлено, что на поверхности мембраны клеток некоторых форм рака (например, молочной железы) обязательно присутствует молекула HER2 (human epidermal growth factor receptor 2). При раке щитовидной железы образуются злокачественные клетки с рецепторами фактора роста сосудистого эндотелия, а при метастазирующей меланоме, образуются раковые клетки с непрерывно активной мутантной формой серин/треониновой киназы BRAF. Уже полученные сведения об антигенах раковых клеток позволяют разрабатывать способы адресной доставки к злокачественным клеткам липосом и капсул с цитотоксичными препаратами. Однако эта доставка недостаточно эффективна и требует многократных повторений. Возможно, эту проблему можно решить внедрением фотосенсибилизаторов с генетическим кодированием, доставляемых в злокачественные клетки посредством направляемых вирусных частиц.

Всё перечисленное позволяет считать комбинацию вирусных частиц адресной доставки и генетически кодируемые фототоксичные белки весьма перспективным направлением для онкологической терапии. Но для применения на практике этой методики её предстоит ещё очень тщательно проработать. Тем не менее, доказательство принципиальной возможности данного подхода уже является значительным достижением, поскольку может стать основой для разработки практических методов лечения онкологических заболеваний солнечным светом.

Список литературы

1. Флуоресцентный белок miniSOG убивает клетки светом // Биомолекула URL: http://biomolecula.ru/;

2. Shimomura O. (2009). Discovery of green fluorescent protein (GFP) (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 48, 5590–5602;

3. Bulina M.E., Chudakov D.M., Britanova O.V., Yanushevich Y.G., Staroverov D.B., Chepurnykh T.V., Merzlyak E.M., Shkrob M.A., Lukyanov S.A., Lukyanov K.A. (2006). A genetically encoded photosensitizer. Nat. Biotechnol. 24, 95–99;

4. Фотосенсибилизатор KillerRed // Евроген: http://evrogen.ru/products/KillerRed/KillerRed.shtml;

5. Bioluminescence and other factoids about Aequorea, a hydromedusa //: http://faculty.washington.edu/cemills/Aequorea.html;

Код для цитирования: Скопировать