Лабораторная работа

Ученые МГУ им. М.В.Ло-моносова создали долговечные и нетоксичные полимерные покрытия, способные уничтожать до 99,999% патогенных микроорганизмов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), их результаты опубликованы в журнале Materials Science and Engineering.

Сегодня достаточно популярны так называемые катионные антисептики, например мирамистин, хлоргексидин, октенисепт. Для людей они не токсичны, а их водные растворы обладают превосходной бактерицидной активностью. В ходе исследования авторы работы получили не растворимые в воде полимеры и покрытия на их основе, которые действуют по сходному механизму и также обладают высокой бактерицидной активностью. Основная цель заключалась в создании материалов, поверхность которых обладает бактерицидными свойствами. Это, в частности, нужно для получения имплантатов, устойчивых к формированию биопленок — множеству микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности. “По различным оценкам, частота осложнений (вторичных инфекций) при применении медицинских изделий (ортопедические имплантаты, катетеры), связанных с формированием биопленок, доходит до 10-20% случаев. Поэтому очень важно, чтобы покрытия этих медицинских изделий были нетоксичны для тканей человеческого организма и в то же время быстро и эффективно вызывали лизис (растворение) патогенных микроорганизмов”, — объяснил соавтор исследования, исполнитель гранта РНФ, младший научный сотрудник кафедры биоинженерии биологического факультета Московского государственного университета им. M.В.Ломоносова Иван Бессонов.

Кроме того, как считают исследователи, полученные результаты помогут в создании материалов, способных эффективно поглощать на своей поверхности прокариотические клетки или отдельные структурные фрагменты клеточных стенок, а также могут быть использованы для очистки водоемов от цианобактерий и микроводорослей, которые часто являются причиной серьезных экологических последствий.

“Мы установили общие закономерности между химическим строением полимеров и их свойствами — бактерицидной активностью и растворимостью в воде”, — говорит Иван Бессонов. По словам ученого, также важно, чтобы искомые соединения были высокоактивными и малорастворимыми: покрытия на их основе будут смываться дольше всего, а значит, будут наиболее долговечными.

В ходе исследования авторы работы получили серию из нескольких десятков новых соединений (на основе синтетического полимера — полиэтиленимина) и покрытий с их использованием. Они были изучены с помощью различных физико-химических методов, в том числе с помощью ЯМР- и ИК-спектроскопии. Оценивалась, в частности, степень смываемости водой. Кроме того, ученые исследовали бактерицидные свойства полученных материалов. Для этого чашки Петри с нанесенными покрытиями на основе созданных полимеров ученые засеяли микробами золотистого стафилококка и синегнойной палочки. Проведенные позже измерения показали, что число КОЕ (количество бактерий, образующих колонии, в одном миллилитре среды) в чашках с покрытиями меньше в 1000-

1 000 000 раз, чем в контрольных чашках без покрытий. С учетом низкой растворимости материала это указывает на контактно-активный механизм обеззараживающего действия покрытия.

Российские ученые из МФТИ вместе с компанией Insilico Medicine по заказу Центра биогеронтологии и регенеративной медицины разработали алгоритм GeroScope для поиска геропротекторов (средств, увеличивающих продолжительность жизни) и провели экспериментальную проверку найденных с его помощью 10 веществ. Работа опубликована в американском рецензируемом журнале Aging. 

На процесс создания лекарств уходят годы напряженной работы и миллионы долларов — особенно если нужно найти средство для борьбы с таким многофакторным биологическим механизмом изменения организма, как старение. Однако благодаря компьютерному моделированию сроки и стоимость разработки можно существенно сократить. 

— Старение населения — одна из глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Разработка эффективных подходов для создания геропротекторов и их валидация применительно к человеку — актуальный вызов для биомедицины. Мы предложили возможный подход, приближающий нас к решению этой задачи, — говорит заведующий Лабораторией генетики старения и долголетия МФТИ член-корреспондент РАН Алексей Москалёв.

GeroScope базируется на созданном ранее большой международной командой ученых алгоритме OncoFinder, предназначенном для изучения молекулярных путей и анализа значений их активации, а также подбора лекарств для лечения онкологических заболеваний. Каждый молекулярный путь отвечает за какое-то событие в жизни клетки; понимание активности молекулярных путей позволяет определить, какие процессы в патологической клетке изменены. Создатели OncoFinder сравнивали экспрессию генов в раковых и здоровых клетках, а также на уровне образца ткани пациентов.  

Для разработки алгоритма GeroScope исследователи проанализировали транскриптомные данные (информация, которая считывается с ДНК и переходит в РНК) молодых (возраст доноров 15-30 лет) и старых (доноры старше 60 лет) образцов клеток. На основе полученных результатов с помощью компьютерного моделирования были определены молекулярные пути, ассоциированные со старением, и проанализированы реакции клеток на различные вещества. 

Лекарство призвано сделать разницу между молекулярными путями старой и молодой клеток как можно меньшей. Из базы данных геропротекторных лекарств, испытанных на клетках модельных животных, ученые выбрали 70 соединений и, используя новый алгоритм, выявили 10 веществ, которые могли обладать геропротекторными свойствами и для клеток человека.

Для экспериментального подтверждения результатов, полученных с помощью алгоритма, были взяты стволовые клеточные линии фибробластов (клетки соединительной ткани) человека. Исследовались два эффекта: “омолаживание” клеток и продление жизнеспособности. 

В начале эксперимента измерялись параметры жизнеспособных клеток (размер, форма и сложность внутреннего строения и др.). Далее клетки смешивались с испытуемым веществом и средой жизнеобеспечения, поддерживались в таком состоянии 6, 12 и 18 дней, после чего ученые измеряли те же параметры, а также уровень ассоциированной β-галактозидазы, которая считается одним из маркеров старения.

По итогам эксперимента исследуемые 10 веществ, отобранные на этапе компьютерного моделирования, показали различные результаты. Например, NDGA не влияет на омоложение, но сокращает продолжительность жизни, Myricetin слегка омолаживает, но сильно подрывает продолжительность жизни, EGCG дает сильный омолаживающий эффект, но продолжительность жизни резко сокращает. NAC обеспечивает совсем легкое омоложение, но резко увеличивает продолжительность жизни. При воздействии PD-98059 хорошо выражены оба эффекта.

Для нескольких веществ предсказания, сделанные с помощью компьютерного моделирования, в клеточных культурах человеческих фибробластов подтвердились, что означает высокую корреляцию работы алгоритма с экспериментальными данными.

— Это очень хороший результат! Ведь 92% препаратов, которые прошли испытания на животных, в клинических испытаниях проваливаются. Возможность моделировать биологические эффекты с такой точностью — это прорыв! Мы надеемся, что некоторые из этих препаратов будут в ближайшее время опробованы на людях, с применением биологически значимых биомаркеров старения, — отметил Александр Жаворонков, заведующий Лабораторией регенеративной медицины ФНКЦ Детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева, адъюнкт-профессор МФТИ, исполнительный директор Insilico Medicine (Центр прорывных технологий, Johns Hopkins University).

В дальнейшем планируется использовать GeroScope для поиска еще неизвестных веществ с геропротекторными эффектами. 

Сотрудники Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) совместно с учеными Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук разработали не имеющий аналогов в мире способ изготовления топлива для атомных реакторов. Новая технология позволяет повысить качество продукта и сократить число стадий производства без увеличения себестоимости.

Как рассказал директор Академического департамента ядерных технологий ШЕН член-корреспондент РАН Иван Тананаев, основным видом топлива для энергетических ядерных реакторов являются таблеточные уран-оксидные композиции. Их получают из порошка путем грануляции, прессования и спекания с последующим контролем качества и размера таблеток. Приморские ученые предложили альтернативный способ производства, который лежит в основе порошковой металлургии, — электроимпульсное спекание под давлением. Через пресс-форму, внутри которой находится порошок, пропускается электрический ток, на порошок одновременно воздействуют мощный импульсный разряд и механическое давление. При этом таблетки топлива удается получить даже из порошка диоксида урана, что при стандартной технологии невозможно. По мнению авторов, предлагаемый способ может быть адаптирован в производственных масштабах благодаря низкой себестоимости одной единицы продукции (до 10 долларов США).

Разработками ученых ДВФУ уже заинтересовались представители Производственного объединения “Маяк” (г. Озерск) — одного из крупнейших в России центров по переработке радиоактивных материалов. Как сообщил Иван Тананаев, сотрудники университета и академического института планируют вместе с “Маяком” создать пилотную установку на основе технологии импульсного спекания.

“Метод электроимпульсного спекания под давлением подходит для создания практически любых топливных таблеток, — резюмирует Иван Тананаев. — С его помощью можно получать высококачественные образцы топлива, в том числе для реакторов на быстрых нейтронах”.

Перспективность новой разработки высоко оценило и российское академическое сообщество. Доклад научного сотрудника Лаборатории ядерных технологий ШЕН Евгения Папынова вызвал интерес на крупной конференции во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов, который уже предложил ДВФУ долгосрочное сотрудничество в области ядерных технологий.