В Институте медицины и медицинских технологий Новосибирского государственного университета открывается несколько новых лабораторий.
Про одну из них — Лабораторию ускорительной масс-спектрометрии в биомедицине рассказывает кандидат химических наук, научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, инженер Центра коллективного пользования научным оборудованием "Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ", старший преподаватель кафедры физической химии НГУ Ксения Александровна Бабина.
1. Чем будет заниматься лаборатория ускорительной масс-спектрометрии в биомедицине
Лаборатория станет междисциплинарным исследовательским центром по биомедицинским разработкам с применением сверхчувствительного метода ускорительной масс-спектрометрии (УМС), объединяющим химиков, физиков, биологов и медиков. Ученые будут создавать меченные радиоуглеродом биологически активные соединения и инновационные терапевтические средства с помощью тонкого органического синтеза и биосинтеза растениями и бактериями, а также системы их доставки — наноразмерные капсулы на основе ниосом, цеолитов и полимерных микросфер. Метод УМС-анализа позволит с высокой точностью отслеживать адресную доставку веществ в организме при различных способах введения, включая трансдермальный. Главное преимущество технологии — безопасность: для тестов требуются микродозы изотопа радиоуглерода, что в будущем открывает возможность изучать фармакокинетику и проводить доклинические испытания новых лекарств без вреда для организма. За рубежом высокая безопасность этого метода уже позволяет применять его даже в исследованиях с участием детей.
2. Какие исследования проводятся уже сейчас или планируются в ближайшее время
Сейчас наши исследования сфокусированы на трансдермальной проницаемости — мы изучаем, как лекарства и средства космецевтики проникают через кожу. Мы выбрали два модельных соединения, известных своей высокой способностью проходить сквозь кожные барьеры: никотин и кофеин. Биологи уже вырастили табак, используя при поливе «Уреакапс» (меченную 14С мочевину), и выделили из него меченый никотин, а химики синтезировали меченный радиоуглеродом кофеин из теобромина и меченного 14С метанола. Для масштабирования этой работы и автоматизации выращивания последующих меченных 14С культур мы сейчас конструируем специализированный герметичный гроубокс, который позволит в автоматическом режиме строго поддерживать заданную температуру, влажность и режим освещения. Также в ближайших планах — вырастить в новой установке меченную 14С стевию, чтобы подробно изучить механизмы ее действия на организм. В мире пока мало подобных работ, хотя детальное исследование этого природного подсластителя крайне важно для решения глобальной проблемы сахарного диабета.
На данном этапе ведутся первые испытания трансдермальной проницаемости in vitro на оптимальных ячейках Франца собственной сборки. Чтобы детально изучить механизмы проникновения, мы подготовили по специальной технологии лоскуты кожи из свиных ушей, которая близка к человеческой, а также задействовали змеиную кожу после линьки — она служит уникальной моделью для исследования диффузии без участия волосяных фолликулов. Кроме того, мы разработали метод синтеза систем доставки — нанокапсул-ниосом. В ближайшее время мы перейдем к тестам in vivo на лабораторных мышах, где будем наносить гели с активными веществами в чистом виде и в составе ниосом, чтобы с помощью метода УМС детально оценить динамику накопления препаратов в крови и кинетику их распределения по внутренним органам.
Параллельно мы разрабатываем ключевые узлы для ускорительного масс-спектрометра, чтобы в будущем собирать такие сложные приборы своими силами в России. Сейчас в процессе активной разработки находятся ионный источник, детектор, перезарядная мишень и конструкция барабана для подачи образцов.
Для проведения анализа на ускорительном масс-спектрометре исследуемое вещество необходимо предварительно перевести в твердый углерод. С этой целью у нас создан собственный недорогой графитизатор высокой производительности (адсорбционно-каталитическая установка). Он отлично подходит как для анализа образцов большой массы — почвы и осадков, — так и меченых образцов для биомедицинских исследований. Разработанный метод позволяет переводить в углерод даже высокосернистые нефтепродукты, что дает необходимый инструмент для решения важнейшей практической задачи — сертификации авиатоплива. Первые тесты это полностью подтвердили: результаты выполненного нами УМС-анализа по определению доли биогенного углерода совпали с пропорциями, в которых коллеги из РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина смешивали образцы различного происхождения.
Кроме того, у нас уже есть успешный практический опыт применения радиоуглеродного анализа в криминалистике, и мы планируем развивать это прикладное направление. Метод УМС позволяет проводить точное определение времени жизни, установление года смерти и биологического возраста человека по костным остаткам и зубам. В основе этой технологии лежит измерение содержания радиоуглерода относительно естественного уровня 1950 года. Превышение уровня радиоуглерода возникло из-за атмосферных ядерных испытаний середины ХХ века (так называемый «бомбовый пик»). Этот след отпечатался в костях и зубах людей, родившихся в послевоенные десятилетия, и сегодня служит точнейшим хронологическим маркером в судебно-медицинской экспертизе.
Еще одно перспективное направление — палеопатология. Мы будем применять возможности УМС для анализа древних биоматериалов. Исследование эволюции болезней ушедших эпох поможет обнаружить новые подходы к профилактике современных хронических заболеваний.
3. В чем значение этих разработок
Мы создаем первую в стране научно-методическую базу для применения ускорительной масс-спектрометрии в биомедицине. Применение метода УМС дает возможность увидеть поведение микродоз лекарства в организме еще на этапе разработки, что позволяет вовремя отсекать неэффективные формулы и ускоряет проведение доклинических исследований. Наличие такой высокочувствительной платформы мирового уровня позволит российским фармкомпаниям проводить доклинические испытания лекарств нового поколения значительно быстрее, точнее и безопаснее. Параллельно с этим силами физиков нашего центра мы разрабатываем отечественные комплектующие для УМС. В перспективе это заложит основу для серийного выпуска российских масс-спектрометров такого класса для нужд научных и медицинских организаций по всей стране.
Практическая ценность нашей работы также заключается в том, что мы учимся сами синтезировать сложные меченные 14С молекулы, технологии создания которых сегодня есть только за рубежом. В перспективе на базе лаборатории планируется создать полноценное производство таких соединений для российского и международного рынков. Кроме того, мы планируем проводить исследования на заказ для фармкомпаний и создателей космецевтики — как на ячейках Франца (in vitro), так и на животных (in vivo).
С другой стороны, наши исследования необходимы для поиска альтернативных, менее травматичных способов введения сложных соединений. Многие эффективные лекарства (например, пептиды или инсулин) сегодня вводят только инъекциями, так как в желудке они разрушаются. Эксперименты с наноразмерными капсулами и механизмами преодоления биологических барьеров организма как раз нужны для того, чтобы оценить потенциал их доставки альтернативными путями — например, перорально в защищенных капсулах или через кожу.
Фото: Часть коллектива Лаборатории на фоне ускорительного масс-спектрометра в НГУ
