Заведующий лабораторией нанобиотехнологий Московского физико-технического института, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых Максим Никитин на сессии «Наука в медиафокусе: современные форматы и способы их продвижения» в рамках II Конгресса молодых ученых в Парке науки и искусства «Сириус» / Фотохост Конгресса молодых ученых
Максим, как получилось, что физик фактически переместился в медицину? Я понимаю, что грань между многими науками очень тонка, и все же тут, кажется, явно больше, чем один шаг!
[Максим Никитин]: Я окончил Физтех. Вернее, сначала я учился в лицее «Вторая школа», по физико-математическому направлению. То есть мне были очень близки физика и математика. И я активно интересовался программированием. В целом я был уверен, что стану программистом. Школьники, кстати, программируют достаточно хорошо, многим старшим коллегам впору им позавидовать. Но одновременно мне очень нравились уроки биологии, которые вел Киселев Игорь Александрович. Мне захотелось попробовать что-то более сложное. С IT как раз было все понятно. А вот биология мне казалась очень хорошей и интересной наукой, новым направлением, в котором много чего можно сделать. С другой стороны, у меня довольно плохая память, поэтому я понял, что идти на биофак — не очень хорошая идея. Например, я не могу запомнить номенклатуру всех растений. Одновременно мне была близка физика.
И тогда я решил поступать в МФТИ, на факультет молекулярно-биологической физики, чтобы заниматься в лучшем физическом вузе страны на максимально биологическом факультете, вот такая хитрость. На четвертом курсе на Физтехе есть распределение, и я пошел в учебно-научный центр Института биоорганической химии, и в лабораторию молекулярной иммунологии к Сергею Михайловичу Дееву. С этого момента и началась моя реальная научная деятельность.
И все же я вас поправлю: вы говорите, что я переместился в медицину, но это не так. Все-таки медицина — это именно лечение людей. А наша задача — разработать новое лекарство и попытаться его вывести на рынок, начать доклинические испытания, пройти их и т. п. В применении лекарства я уже не буду участвовать. Это вообще совсем другая область, потому что врачи в целом должны хорошо знать не столько фундаментальные аспекты молекулярной биологии, сколько статистику и какое лекарство в каких случаях применять, уметь общаться с пациентами. А мы занимаемся фундаментальной биологией, но с прикладным эффектом, то есть разработкой лекарств. Моя докторская диссертация называется «Тераностические наноагенты, методы их исследования и повышения эффективности в организме».
Когда-то очень давно я посмотрел голливудский фильм (кажется, 1940 года) «Магическая пуля доктора Эрлиха». «Если есть такая краска, которая окрашивает одну только ткань, то, несомненно, должна найтись и такая, которая окрасит только микробов, попавших в организм» — примерно так он рассуждал. Кажется, словосочетание «магическая пуля» в отношении адресной доставки лекарств с тех пор было употреблено миллионы раз. Можно ли сказать, что вы работаете приблизительно в этом направлении?
[МН]: Да, термин Эрлиха про «магическую пулю» действительно очень устоявшийся, хорошо известный в нашей области. Мы действительно работаем именно в этом направлении. Вот мне, кстати, вспомнилась история, когда меня позвали в музыкальный театр имени К. С. Станиславского и В. И. Немировича-Данченко на 200-летие премьеры оперы «Вольный стрелок» (нем. Der Freischütz) К.-М. фон Вебера. А на столетнем юбилее этой оперы как раз и присутствовал Пауль Эрлих, который свою идею магической пули почерпнул именно в опере Вебера. Интересное получилось совпадение! Я не мог не пойти!
В общем, магическая пуля — это как раз про нас. Какие тут есть стандартные подходы? Обычно берут какую-нибудь сложную наночастицу, которая умеет много чего делать, или какой-нибудь молекулярный токсин, радионуклид или еще что-нибудь подобное и прицепляют его к антителу, молекулярному большому иммуноглобулину или его аналогам.
В этой области действительно работают очень много коллективов, в частности группа под началом Сергея Михайловича Деева, они подбирают нацеливающие молекулы, которые лучше вели бы себя в организме с точки зрения низкой иммуногенности, высокого сродства к рецептору мишени, по которому идет доставка в опухоль, и т. д. И мы тоже разные наноматериалы разрабатываем (я имею в виду в двух лабораториях, к которым я имею прямое отношение: в МФТИ и в университете «Сириус»), в качестве лечащего (убивающего) элемента для работы с раковыми опухолями. Но отдельно мы производим довольно интересные работы по следующему шагу, по усложнению этой концепции.
Следующий шаг — прикрутить к средству доставки этакий «думатель», верно? Чтобы повысить корректность распознавания, так?
[МН]: В 2014 году вышла наша статья в журнале Nature Nanotechnology, в которой как раз рассказывалось про «нанокомпьютер». Это и есть следующий шаг, то есть наша частица уже не просто имеет какой-то свой адрес, не просто пытается кого-то распознать. Собственно говоря, в большинстве сложных заболеваний вот такие «простые» частицы не очень хорошо работают, потому что не существует единых маркёров, отличающих больную клетку от здоровой. И мне еще в аспирантуре пришла в голову идея, как сделать такой нанокомпьютер, буквально частицу размером примерно 50 нанометров, которая умела бы считать. Но для какой цели? Не для того чтобы играть в компьютерные игры, а для того чтобы анализировать массу разных параметров в своем микроокружении. Грубо говоря, ее нацеливание на нужную клетку, распознавание своей мишени происходит не за счет одного какого-то маркёра (это подход подавляющего большинства других исследователей в этой области), а за счет интегрального анализа сразу многих маркёров. И вот по этой технологии пока нас никто не обогнал, не предложил более крутой вариант. Наша технология сейчас наиболее функциональная, она в модельных условиях человеческого организма способна произвести сложные вычисления по большому количеству маркёров и по разным функциям (а испытания в настоящем живом организме пока еще предстоят).
Насколько я понимаю, в мире сейчас даже не сотни, а тысячи научных групп работают над адресной доставкой лекарств. А чем вы отличаетесь от других, или чем похожи?
[МН]: Я уже рассказал про одну технологию, когда мы делаем очень сложносоставные, «умные» наноматериалы, которые могут реагировать на разное окружение, анализировать много параметров и доставлять лучше. Фактически мы сделали «умный» материал, который умеет много параметров считать. А вторая технология позволяет ультрачувствительно эти самые параметры мерить. Третья технология, о которой, наверное, стоит рассказать, — у нас вышла статья в Nature Biomedical Engineering в 2020 году о том, как нам, пожалуй, удалось решить ключевую проблему всей наномедицины. А проблема вот какая: когда мы вводим в организм такие сложные функциональные наночастицы, абсолютное их большинство поглощается иммунными клетками очень быстро, буквально за считанные минуты. Эти частицы из системного кровотока иммунитет удаляет очень быстро. Девяносто процентов дозы вообще ни разу не проходят через опухоль: если мы в венозную кровь ввели частицы, иммунные клетки эти 90 процентов лекарства сожрут быстрее, чем оно вообще хоть раз доберется до опухоли. И эта проблема не позволяла вводить действительно классные функциональные материалы для лечения. По сути, в клиническом применении пока были только самые-самые примитивные наноматериалы, липосомы, которые люди научились ПЭГилировать, то есть покрывать инертным материалом (полиэтиленгликоль), чтобы иммунитет их не «унюхал», но это, в свою очередь, снизило их чувствительность. Они начали дольше циркулировать в крови, конечно, но это не дало им возможности эффективнее накапливаться в опухоли. Потому что они, будучи покрыты этим инертным материалом, одинаково хорошо избегали и иммунных клеток, и клеток опухолей. Этакие колобки: «Я от бабушки ушел, я от опухоли ушел». Иммунные клетки такую частицу не видят — им кажется, что там просто вода. Но когда наша частица подходит к раковым клеткам, она практически тоже не чувствует, что там раковая клетка, и что можно как-то за нее зацепиться. Издержки излишней маскировки. Но эта маскировка зато позволила снизить кардиотоксичность. НеПЭГилированные липосомы активно накапливались в сердечной мышце и убивали ее ткань, несли вреда больше, чем пользы. ПЭГилирование не повысило эффективность средства, а лишь снизило токсичность материала.
Мне приходилось читать об остроумной технологии, с помощью который вы как бы обманываете организм перед введением туда ваших лекарственных микрочастиц (напомню читателям, что реакция иммунной системы на лекарства — часто одна из самых серьезных помех в лечении): вы вводите антитела против эритроцитов, организм начинает усиленно их обновлять и как бы «забывает» про ваших агентов на какое-то время. Но как именно это работает?
[МН]: Вот мы как раз и подошли к этой теме, заговорив про ПЭГилирование. Мы придумали другую технологию, которая не только обманывает наш иммунитет, но и повышает эффективность вводимого средства. Мы вот что сделали: ввели в кровоток антитела против эритроцитов. Они маркируют такие новые эритроциты, которые обычно циркулируют в крови сто дней (вообще обычное время жизни эритроцитов в человеке как раз столько и длится). Это значит, что каждый день наш организм перерабатывает один процент эритроцитов, плавающих в организме. А мы, вводя антитела, заставляем организм перерабатывать собственные эритроциты чуть больше, чем обычно. Грубо говоря, они перерабатывают не только сегодняшнюю порцию эритроцитов, но и завтрашнюю и послезавтрашнюю. Иммунные клетки «наедаются» эритроцитами, помеченными нашими антителами.
После чего, если мы вводим наши наночастицы в кровоток, они плывут мимо иммунных клеток, и те им как бы говорят: нет, извините, мы переели эритроцитов, нам не до вас, плывите дальше. И наши частицы классно циркулируют в десятки и сотни раз дольше, чем без этой технологии. Эта технология позволяет им накапливаться в опухоли в десятки и сотни раз больше и эффективнее, чем без нее. Очень крутая вещь! Это универсальная технология, которая работает со всеми наночастицами, что мы пробовали: и очень маленькими, и очень крупными, и даже этими самыми ПЭГилированными.
А как, собственно, выглядит ваше сверхмалое средство доставки? Там и лекарство, там и некое устройство обработки и анализа информации. А ведь капилляры-то тоненькие, там порядок толщины — миллионные доли метра.
[МН]: Мы создаем некую слоистую наночастицу, размером действительно менее 100 нанометров. Это может быть и 50 нанометров, и 100, и 200 и т. д. Главное, что она слоистая и каждый слой чувствует свой маркёр. Наша частица устроена, грубо говоря, как луковица: она разбирается, отшелушиваются слои, которые реагируют на разные маркёры заболевания. В зависимости от того, есть маркёры, нет ли маркёров, слои отшелушиваются. И есть какая-то поверхность, которую мы спрятали в разных слоях. У этой поверхности будет возможность либо открыть клетку, присоединиться к ней, либо не атаковать клетку, а остаться инертной и уйти дальше, в печень, где ее организм переработает безопасным методом. Печень легко и хорошо справляется с разными вещами. Если мы правильно подберем вот эту токсичную нагрузку, мы даже можем сделать так, что для печени она будет безопасной. Это довольно долго рассказывать, как это делается, но мы можем это сделать!
Вернусь на минуту к вашей технологии по временному уменьшению эритроцитов в крови, это страшно интересно. По описанию такая методика похожа на некое краткосрочное аутоиммунное заболевание — не опасно ли это? (Хотя я понимаю, что с раком по опасности мало что сравнится).
[МН]: Количество эритроцитов действительно падает, но это легко миновать. Мы либо заранее можем сделать так, чтобы оно повысилось, и когда мы введем антитела, значение вернется в норму. Либо мы одновременно с введением антител сразу можем это компенсировать. При этом на уровне сложности раковых заболеваний переливание крови не опасная технология. Внешне может быть некое сходство с аутоиммунным заболеванием, но вообще-то это не слишком корректное сравнение, отмечу это. Ведь мы все-таки вкалываем антитела, они не продуцируются самим организмом.
В чем истинная опасность аутоиммунных заболеваний? Организм сам вырабатывает, клонирует избыточное иммунное оружие и им потом начинает убивать сам себя. В этом и заключается опасность: найти такой клон и нейтрализовать, уничтожить его очень-очень сложно. Правда, есть совершенно прекрасная история академика Сергея Анатольевича Лукьянова и его команды по лечению и уничтожению такого вредного клона для лечения болезни Бехтерева. Подробно я останавливаться на этом моменте не буду, но чрезвычайно рекомендую почитать и узнать про нее побольше, это шедевральная история! Горжусь тем, что знаком с этими людьми.
Вернусь к нашей теме — в нашем случае, конечно, это совсем не аутоиммунное заболевание, потому что мы вкалываем клон, и он и правда атакует как бы свои здоровые клетки, но это локальная и однократная процедура, подчеркну. Это похоже на любую иммунотерапию. С изобретением процесса выделения моноклональных антител и их производства иммунотерапия стала очень популярной и для лечения рака, и просто для введения какого-то антитела против какой-то клетки, что заставляет организм ее убить. Но мы же не станем говорить про каждую иммунную терапию, что это аутоиммунное заболевание.
И кстати! Таких клонов антител, которых в нашем организме узнают эритроциты, на самом деле в нашем организме полным-полно! Просто они удаляют эритроциты на разной стадии их старения. Эритроциты стареют очень многими способами и, грубо говоря, на все эти способы есть разные антитела и другие механизмы, которые их удаляют и делают это естественным образом в человеке. А мы только используем такой клон. Да, мы чуть форсируем события, чуть превышаем норму естественной «природной» ликвидации эритроцитов, но это весьма безопасная методика. И еще мы проверили, что на распространение бактериальной инфекции по кровотоку и в целом по организму наша технология никак не влияет. У иммунной системы есть дополнительные механизмы удаления бактериальных клеток.
И все же почему нельзя не убирать эритроциты из крови (они же нас защищают в конце концов), а, скажем, замаскировать наш сверхмалый контейнер под эритроцит?
[МН]: Потому что это нереально, увы. Эритроцит — очень сложная клетка. Его вогнутая форма… Скажем, пока мы дойдем до того, что сумеем сделать такие клетки, пройдет много времени. Не модифицировать естественные клетки, а прямо взять с нуля, с химии, с базовых основ и сделать такую клетку — крайне сложная задача. С другой стороны, есть технологии, в которых берутся мембраны эритроцитов и ими покрывают наночастицы. Есть на них некий рецептор, который сигнализирует иммунной системе: «Не ешьте меня, я свой!» И благодаря таким механизмам можно продлить время циркуляции наночастиц. Такие технологии развиваются, существуют. Ими занимаются многие коллективы в мире, но их результаты работают колоссально слабее, нежели наша технология. Если у них увеличение эффективности в два-три-четыре-пять раз, то мы реально можем увеличивать от десятков раз до сотен (просто это зависит от дозы вводимых антител).
Есть и еще одна интересная технология, когда берут, наоборот, эритроцит и на него сажают вот эти наночастицы. Иммунная система не замечает на поверхности эритроцита эту частицу. Это называется RBC Hitchhiking. Такое своеобразное «путешествие на эритроците автостопом». Это позволяет наночастице дольше циркулировать, но там есть одна серьезная проблема. Вот мы подсадили на эритроцит эту наночастицу, а эритроцит куда-то идет по своим делам, и совсем не обязательно, что идет к мишени. И очень сложно снять эту частицу с эритроцита в нужное время. Скорее всего, она так и будет долго-долго циркулировать, пока не уйдет в те органы, которые все равно поглотят этот эритроцит. И вот непонятно, сумеют ли исследователи с помощью такой технологии реально эффективно сделать shading, что можно грубо перевести, как «заставим отлипнуть эту частицу в нужном месте опухоли». Или же это не получится? Но такие технологии активно развиваются, это правда. У нас тоже была такая работа, где мы развивали такую систему доставки. Мы получили некий рекорд доставки, излечения заболевания метастазирующего рака в легких. Но это отдельное направление, тоже очень интересное, впрочем и мы тоже смотрим в ту сторону.
Максим, хотел бы вас поспрашивать про ту историю с одноцепочечной ДНК. Все помнят со школы и из популярной литературы, что ДНК — двухцепочечная: две цепи дезоксирибозофосфата, между ними такая славная лесенка (аденин-тимин, гуанин-цитозин). И вдруг мы читаем в NatureChemistry, да еще в статье с единственным автором Максимом Никитиным (а единственный автор — очень необычно), о том, что одноцепочечная ДНК умеет регулировать экспрессию гена. И в этой фразе все не очень понятно! Ведь одноцепочечная ДНК — она ведь есть у некоторых вирусов, верно? Ну то есть было понятно и до того, что репликация у них идет с помощью этой самой одноцепочечной ДНК. Так в чем же суть вашего открытия? В том, что стало яснее, как кодируется информация именно в одноцепочечной ДНК?
[МН]: Напомню, что статья называлась Non-complementary strand commutation as a fundamental alternative for information processing by DNA and gene regulation, если кому-то интересно заглянуть в первоисточник. Ну конечно, все очень хорошо знали раньше, что одноцепочечная ДНК умеет регулировать экспрессию гена. При этом считалось, что когда нам нужно понять, будет ген регулироваться таким-то олигонуклеотидом (короткий фрагмент ДНК) одноцепочечной ДНК или нет, люди смотрели на комплементарность (комплементарность в ДНК — это пространственная взаимодополняемость мономеров ДНК нуклеотидов, то есть цитозина, гуанина, тимина и аденина, приводящая к образованию связей между ними, причем цитозин комплементарен гуанину, а тимин — аденину. — NS). Если вот этот мономер сильно комплементарен ДНК (или РНК), значит, регулирует. Если слабо или максимально некомплементарен, тогда считалось, что этот фрагмент не должен регулировать работу гена, просто возможности такой нет.
А я показал в своей статье довольно интересный и значимый для биомедицины результат: что в модели разрушенной клетки максимально некомплементарный олигонуклеотид может регулировать работу гена. И как раз вот это противоречит всему тому, что мы знали раньше. Если вы мне называете ген и даете олигонуклеотид, который ему максимально некомплементарен, то в рамках стандартной парадигмы его добавление не должно влиять на работу гена. А я показал в модели разрушенной клетки, что может! На самом-то деле клетка — очень сложная конструкция. В ней еще много других олигонуклеотидов!
То есть типа не было этого олигонуклеотида — ген работал, а добавили этот олигонуклеотид — эффективность работы этого гена сильно снизилась, он фактически запретил работать этому гену! Это, конечно, противоречит тому, как в биологии раньше подходили к анализу регуляторных последовательностей ДНК и РНК вообще. Замечу, что я показал это в модели разрушенной клетки. А в живой клетке это мне пока не удалось. Мы сейчас только-только приближаемся к тому, чтобы продемонстрировать, что этот эффект работает реально в живой клетке.
Думаю, что природа этот феномен использует для того, чтобы построить очень сложную систему регуляции, о которой мы вообще и не догадывались… Я как раз в своей статье и показываю, насколько много информации может содержаться в тех взаимодействиях, которые мы раньше считали, грубо говоря, побочным эффектом. Это не мусорные влияния. В этих влияниях можно сохранить колоссальное количество информации. Я пока не показываю, как, — я показываю масштаб этого хранения и т. п.
И отсюда возникает очень много классных новых потенциальных точек роста для науки. Это и создание новых лекарств, и понимание того, как работают нейроны. И эволюция. И рак. Это очень базовые, фундаментальные процессы. Более того, тот механизм хранения информации в этих системах, который я показал, базируется на очень базовом, основном законе действующих масс. Он не требует высокой аффинности, такого строгого действия, как «ключ — замок», или, скажем, комплементарного взаимодействия ДНК. Он может осуществляться при любых слабых взаимодействиях молекул. Если у вас есть 10 молекул, дайте мне их, я в них сохраню любую информацию. Ну ладно, вы улыбаетесь, и правильно, конечно же, не любую; понятно, что ограничения есть. Но вообще в любых молекулах (точнее, даже в слабых взаимодействиях практически любых молекул) можно сохранить информацию. Это будет зависеть от концентрации этих молекул в пробирке. Да, ее будет не очень легко измерить, посчитать и т. д., но все же можно. Однако раньше мы этого не понимали, до этой статьи эта информация нам была не видна. А этот феномен (который я назвал молекулярной коммутацией), я уверен, точно влияет на большое количество процессов. Вопрос дальше будет заключаться в том, насколько сильно, на какие процессы, и сможем ли мы их найти в ближайшее время, чтобы как-то использовать для человечества? А именно — создать новые лекарства, улучшить нашу безопасность и так далее. Та работа, которую мы провели за этот год, меня очень воодушевляет — думаю, что сможем!
По закону Парето «20 процентов усилий дают 80 процентов результата, а остальные 80 процентов усилий — лишь 20 процентов результата». А как у вас в науке, сколько процентов неудач по отношению к удачам? Не деморализует ли это иногда? Что позволяет двигаться вперед?
[МН]: В науке 99 или даже 99,9 процента времени — неудачные эксперименты. Это стандартная история: всегда что-то не получается до тех пор, пока, собственно говоря, не получится. И в целом такие ученые, которые хоть раз испытали драйв от того, что у них получилось что-то очень неожиданное, что-то непредсказуемое, или удалось реализовать то, что придумалось в голове, но вообще непонятно было, как это реализовать… так вот, те, кто почувствовал драйв, чего-то добившись, они испытали самое интересное, самое классное чувство, которое вообще доступно человеку. Счастье открытия! Когда я придумал этот механизм хранения информации в ДНК — это произошло очень быстро. Статью-то я делал девять лет, а придумалось все в течение часа, даже, может быть, пяти минут. Сама идея очень простая и легкая. Очевидно, что она не может не работать. Но нужно очень много времени, чтобы показать, как конкретно она реализуется, на каких именно молекулах, померить какие-то характеристики: насколько быстро это работает, насколько медленно.
В других наших статьях в Nature Ntechnology и Biological Engineering, про блокаду и нанокомпьютер, идея, кстати, тоже очень простая, а заставить это работать было очень сложно. Мы осуществили какое-то безумное количество экспериментов. Студентам я про это рассказываю так: допустим, есть любой образованный, натренированный в этой области человек, именно с высшим образованием. Если ему рассказать какую-то идею, он придумает миллион разных идей, как это можно воплотить. Человек более опытный сократит количество данных путей до 100 тысяч. А человек с большим креативом, понимающий, как дальше докрутить, догенерить эту идею, сократит это количество до 10 тысяч путей. И потом есть удачливый ученый, который это сократит всего до тысячи путей. И только очень трудолюбивый досидит до какой-то 200-й или 400-й попытки, чтобы действительно добиться результата. В общем, непростой путь, но в конце пути ждет потрясающее ощущение!
Сейчас в Научно-технологическом университете «Сириус» идет Конгресс молодых ученых, мы оба в нем участвуем. Как подобные мероприятия влияют на развитие науки? Зачем нужны обычные научные конференции, вполне понятно: узнать, что нового происходит в исследовательском поле, познакомиться с коллегами и определить свой дальнейший путь. А вот какую задачу, например, решает конгресс?
[МН]: Вообще, мне кажется, что в нынешнее время классические конференции, в которых зачитывают краткое содержание своих работ, утрачивают актуальность. Полвека назад ученые собирались на такую конференцию, чтобы узнать, кто чем занимается. А сейчас за считанные минуты можно найти всю эту информацию в сети и никуда не ездить. Что сейчас нужно ученому на конференции? Кофе-брейки! Общение в кулуарах — вот самая важная история в наше время. Потому что научную информацию можно получить легко, а вот человеческие контакты онлайн совсем не так хорошо налаживаются.
Я был и на первом, и втором конгрессе, и мне очень понравилось. Думаю, что конгресс входит в мой личный топ-3 конференций, которые я посещал (а посещал я их великое множество, поверьте — есть с чем сравнить). Почему он мне нравится? Потому что объединяет молодых и очень активных ученых, при этом это крайне широкая по темам конференция, не узкая (допустим, только микробиологов). Вот это классно — возможность резко расширить свой кругозор, познакомиться с неожиданными людьми, придумать какой-то междисциплинарный проект или вдохновиться новыми идеями и перенести их в свою область.
И вот этой истории как раз много на конгрессе. Очень удачно, что основной формат на нем — не классические доклады, а круглые столы. Вот это и есть главная фишка — приятное и эффективное общение со множеством очень высокообразованных людей со всех концов страны, и даже из-за рубежа. Поэтому я всех искренне призываю участвовать — не получилось в этом году, приезжайте на конгресс в следующем! Вот и вы сами приезжайте!
Егор Быковский
