Наука и технологии России

Вход Регистрация

Оптическая атака на рак

Сотни лабораторий пытаются прояснить природу онкозаболеваний и найти механизмы, которые помогли бы взять под контроль развитие раковой опухоли в каждом конкретном организме. Абсолютной победы на этом фронте добиться никому не удалось, однако, учитывая высокую степень опасности болезни, даже маленькие, локальные успехи представляют огромную ценность для науки и практической медицины. Один из российских коллективов, которому в ходе экспериментов удалось детально проследить за ростом опухоли, работает в Институте прикладной физики РАН. Он развивает оптические методы наблюдения за колониями раковых клеток, используя флуоресцентные белки. На их основе уже создан прибор, способный следить за ростом опухоли лучше, чем УЗИ и МРТ.

Сергей_Лукьянов
Академик РАН Сергей Лукьянов выделил белки с цветами флуоресценции от голубого до красного

Основное преимущество оптических методов – очень высокий контраст изображений диагностируемых тканей. Причём наибольший эффект достигается с помощью флуоресцентных контрастирующих агентов. Они позволяют повысить контраст в тысячи раз по сравнению со стандартными методами – магнитно-резонансной или рентгеновской томографией и ультразвуковыми исследованиями.

Такой высокий контраст связан с тем, что флуоресценция происходит на длине волны, отличной от длины волны возбуждения. Таким образом, если при регистрации флуоресценции оптическим фильтром убрать возбуждающее излучение, то будет видно только свечение самой метки. Рентгеновский контраст основан на другом принципе – повышается поглощение рентгеновского излучения, но это изменение намного слабее, чем в оптических методах.

Наилучшие контрастирующие агенты для биологических исследований – флуоресцентные белки. Их открытие и применение в 2008 году принесло учёным Нобелевку по химии. Впервые такой белок был выделен из медузы Aequorea victoria. Он флуоресцирует в зелёном диапазоне, когда его освещают синим светом.

Для исследований на живых организмах больше всего подходят белки, которые светятся в красной и ближней инфракрасной областях спектра. Именно в этой области спектра свет проникает в ткани на самую большую глубину – гораздо дальше, чем синий или зелёный свет. Самые яркие метки на основе красных флуоресцентных белков получены благодаря разработкам группы исследователей из Института биоорганической химии РАН под руководством академика Сергея Лукьянова. В 1998–1999 годах он выделил из коралловых полипов класса Anthozoa белки с разными цветами флуоресценции – от голубого до красного. Недавно эти изыскания были отмечены премией Rusnanoprize.

В 2010 году Сергей Лукьянов выиграл мегагрант Правительства РФ на создание лаборатории флуоресцентного биоимиджинга в Нижегородской государственной медицинской академии, где оптические методы помогают изучать раковые опухоли.

Сейчас технологию тестируют на лабораторных животных: изучают модели опухолевого роста, оценивают эффективность различных лекарств против рака. Для этого в клетки опухоли встраивают гены флуоресцентного белка. Затем опухоль прививают лабораторным мышам и просвечивают лазерным излучением на длине волны возбуждения флуоресценции (например, дальнекрасным белкам соответствует жёлтый цвет).

В перспективе можно будет брать клеточный материал конкретного пациента и подбирать препараты для проведения индивидуальной терапии. Также технология позволит изучать опухоли непосредственно в организме человека. Всё те же флуоресцентные белки можно присоединить к антителам, которые проникнут в опухоль и позволят внимательно следить за её развитием.

Прибор_для_флуоресцентного_имиджинга Флуоресцентный имиджинг позволяет следить за ростом опухоли лабораторной мыши

Прибор для флуоресцентного имиджинга создали в лаборатории биофотоники нижегородского Института прикладной физики РАН, которая работает в сотрудничестве с группой Сергея Лукьянова в Медицинской академии и Национальным исследовательским университетом ННГУ.


Справка STRF.ru:
Проект «Разработка и апробация метода флуоресцентного и биолюминесцентного молекулярного in vivo имиджинга лабораторных животных» в 2011–2012 годах получил финансирование по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2013 годы» в размере 10 миллионов рублей. Внебюджетная составляющая – ещё 2 миллиона

– Оказалось, что нельзя просто пометить опухоль флуоресцентными белками, свечение получается слишком слабым, – рассказывает STRF.ru Илья Турчин, заведующий лабораторией биофотоники. – Биологические ткани сильно рассеивают свет, поэтому изображение выходит мутным, размытым. Когда изучаемая опухоль растёт под кожей, следить за её развитием достаточно легко, а если скрыта глубоко внутри ткани, увидеть её трёхмерную структуру намного сложнее. Чтобы восстановить точные размеры и чёткие границы флуоресцирующей опухоли, потребовались нетривиальные аппаратные решения и математическая обработка данных.

Илья_Турчин Илья Турчин – заведующий лабораторией биофотоники

Физики использовали модели рака шейки матки человека, однако можно было работать и с другими опухолями: главное, чтобы они флуоресцировали с высокой яркостью. Клетки были получены в ИБХ РАН и ИНБИ РАН.

Эксперименты шли над особыми мышами. Их организм из-за искусственного перепрограммирования генов не отторгает человеческие опухоли. За выведение таких животных с ослабленным иммунитетом с помощью эмбриональных стволовых клеток в 2007 году тоже присудили Нобелевку – по физиологии и медицине. И теперь такие грызуны буквально на вес золота в каждой научной лаборатории. Особенно у нас, в России, где их выводить не могут, а импортируют из США и выращивают в Пущинском виварии. Правда, спустя несколько лет потомки генно-модифицированных мышей уже не обладают нужными свойствами и не годятся для экспериментов. Поэтому время от времени нужны новые партии мышей. Наш портал не раз писал о том, что привоз заграничных грызунов в Россию сопряжён с огромными трудностями. В Институте прикладной физики тоже столкнулись с этой проблемой.

– Любое животное, пересекающее границу, обязано 10 дней содержаться в специальном виварии. Потому что карантин! И насчёт лабораторных животных никаких распоряжений в законе нет, – сетует Турчин. – А ведь мыши с ослабленным иммунитетом должны содержаться в особой стерильной зоне. На такую мышь чихнул – она заразилась и умерла. Но понятно, что никакой стерильности никто нашим мышам не обеспечивал. И они гибли. В итоге на таможне умер не один миллион в рублёвом эквиваленте. Вся наука попросту встала. Ведущие биологи и к президенту обращались, и чего только не делали…

В итоге только недавно дело сдвинулось с мёртвой точки. Несмотря на традиционные для России бюрократические ловушки, лабораторные животные всё же добрались до места назначения, чтобы сослужить службу науке.

Следует отметить, что на Западе приборы для биолюминесцентного имиджинга уже созданы несколько лет назад. По словам Ильи Турчина, основное преимущество отечественного аппарата – низкая стоимость: американский Ivis Spectrum стоит 23 миллиона рублей, а российский диффузионный флуоресцентный томограф – вдвое дешевле. При этом, как отмечают сами разработчики, эффективность при исследованиях с использованием красных и дальнекрасных меток ничуть не уступает зарубежным аналогам.

РЕЙТИНГ

4.73
голосов: 11

Галереи

Онкоцентр им. Н.Н. Блохина

Лаборатории. 20 мая 2009 года.

21 фото

Обсуждение