"То, что сегодня кажется научной фантастикой, уже завтра может стать врачебной обыденностью", – утверждают российские ученые.

Ольга Власова, доктор физико-математических наук, директор Высшей школы биомедицинских систем и технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):

"Сейчас мы находимся на таком этапе развития науки, когда уже нет отдельно физиков и биологов: если мы действительно хотим изучать и создавать что-то естественно-научное и прорывное, мы должны быть "синтетическими" специалистами, уметь слышать и понимать друг друга".

В настоящее время она ищет способ регулировать активность нейронов с помощью методов оптогенетики. Это одна из новейших технологий, которая позволяет не только исследовать, но и вмешиваться в работу нейронов, воздействуя на них видимым светом непосредственно или через глиальные клетки.

В клетку доставляется необходимая генетическая информация, в качестве переносчиков которой выступают неактивные вирусные частицы. Они вносят в клетку информацию о светочувствительных белках – ионных каналах или рецепторах. Затем под воздействием света происходят изменения в структуре белка, приводящие в итоге к изменению активности нейронов.

"С точки зрения физики нам надо понимать, какие нужны кванты света, какова энергия этого кванта, на что ее хватит, произойдет ли химическая модификация молекулы… Мы подбираем соответствующие физические и оптические параметры, светим на клетку и фиксируем ее ответ. Затем, манипулируя параметрами света, мы можем регулировать этот ответ", – поясняет Ольга Власова.

Эксперименты проводятся на трансгенных мышах с моделью болезни Альцгеймера. В голову лабораторных животных встраивается специальная оптическая конструкция. Как утверждают ученые, исследования на срезах мозга показывают, что после оптогенетического воздействия у животных стали активнее формироваться контакты между нейронами (синапсы). Поведенческие тесты демонстрируют восстановление памяти у мышей с моделью болезни Альцгеймера.

Однако, по словам ученого, сложность заключается в том, что в человеческом аспекте эту методику пока реализовать технически очень сложно: в голове нужно делать специальные отверстия, чтобы получить доступ света.

В настоящее время на практике методика лучше всего реализуется на глазах. "Глаза человека – "окна", они сами проводят свет. В перспективе с помощью методов оптогенетики можно будет безопасно восстанавливать зрение", – отмечает исследователь.

Елена Афанасьева, кандидат химических наук, доцент Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ:

"Мы синтезируем материалы, обладающие люминесцентными свойствами. Люминесценция – уникальное физическое явление: мы возбуждаем вещество электромагнитным излучением. Под действием этого излучения оно светится, причем мы наблюдаем свечение вещества в самом широком спектральном диапазоне".

Основная сфера применения таких наночастиц – медицина, в частности диагностика онкологических заболеваний. "Мы помещаем наши люминесцирующие наночастички внутрь живого организма (или просто покрываем объект слоем этих наночастиц) и на основе анализа свечения проводим диагностику живых клеток или локального органа", – поясняет Елена Афанасьева.

Еще один важный момент: в клетках, которые подвергаются заболеваниям, наблюдается повышение температуры, но оно настолько незначительно, что обычная термометрия это изменение не регистрирует. По словам ученого, при локальной диагностике с помощью разработанных люминесцентных наночастиц можно оценивать изменение температуры с точностью до десятых долей градуса. Это новое направление в медицине получило название люминесцентная нанотермометрия.

Данные исследования проводятся совместно с учеными СПбГУ в рамках действующего гранта РНФ №21-79-10018 и носят междисциплинарный характер (на стыке физики, химии, материаловедения и биологии).

Наталья Завражных, сотрудник лаборатории "Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии" (Институт биомедицинских систем и биотехнологий СПбПУ):

"Мы разрабатываем способ получения трубчатых матриц на основе микро- и нановолокон из биодеградируемых полимеров с помощью метода электроформования. Это процесс формирования волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора. Диаметр и качество волокон зависят от концентрации раствора полимера, параметров электрического поля и состава растворителя".

Лаборатория создает протезы сосудов малого диаметра (1–5 мм), что особенно важно для детской кардиологии.

В настоящее время в сердечно-сосудистой хирургии, как правило, используются синтетические протезы, которые хорошо работают при реконструкции сосудов большого калибра (более 5 мм). Перед учеными и хирургами всего мира стоит задача замены поврежденных сосудов малого диаметра.

Из-за маленького калибра происходит активное выпадение белков, содержащихся в крови, на внутренней стенке сосудов, что в сочетании с низкой скоростью кровотока вызывает образование тромбов. Кроме того, как утверждают ученые, синтетический протез нецелесообразно использовать в детской кардиохирургии, потому что протез не растет вместе с ребенком, необходимо делать повторные операции.

Разработанный протез малого диаметра используется для реконструкции артерий и вен в детской хирургии. Он не требует замены при росте пациента, так как при резорбции (рассасывании) полимера ткани прорастают через стенки протеза и образуется нативный (естественный) сосуд.

По словам ученого, испытания на приматах показывают высокую проходимость (до 95 %) материала, низкую хирургическую порозность и отсутствие токсичности. Кроме того, выявлена высокая степень интеграции имплантата с организмом реципиента.

Владимир Юдин, профессор, заведующий лаборатории "Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии":

"Большинство импортных фирм ушли с рынка, нужно искать замену и предлагать отечественные скаффолды (полимерные матрицы для роста клеточных структур), которые имплантируются в живую ткань и восстанавливают ее естественные функции".

Ученые Политеха и Института высокомолекулярных соединений РАН
на базе лаборатории Владимир Юдина создают уникальный гемостатический материал, способный быстро останавливать кровь и заживлять раны.

Субстрат, который создают российские ученые, обладает биологической активностью и способен восполнить дефект после хирургического вмешательства. Материал печатают на биопринтере (сам прибор произведен в Южной Корее), а затем трансплантируют и интегрируют в поврежденную ткань.

В перспективе биопринтер может быть использован для печати утраченных органов и тканей на основе клеток и биосовместимых полимеров. В настоящее время ученые проводят доклинические испытания на лабораторных животных.

В этой же лаборатории ученые Политеха создают биорезорбируемые шовные нити. По словам профессора Юдина, российские исследователи впервые в мировой практике получили композиционные волокна на основе хитозана с нанофибриллами хитина.

Как утверждают ученые, введение наночастиц хитина в хитозановую матрицу позволило повысить прочность волокон в полтора раза (до 300 МПа) и стабилизировать процесс формования. Им удалось подобрать концентрацию полимера, составы растворителя и разработать технологические параметры формования. На основе таких хитозановых нитей может быть получен нетканый (пористый материал) для быстрой остановки кровотечения.

Хитозан – аминополисахарид, полученный из панцирей ракообразных (крабов, креветок и пр.), является натуральным источником особой липофильной формы пищевых волокон. Хитозан зарекомендовал себя как уникальное вещество, связывающее и выводящее из организма жиры, поступающие с пищей, а также как не имеющий аналогов природный продукт, способствующий снижению уровня холестерина в крови.

СПРАВКА: Медицинская физика – наука о системе, которая состоит из физических приборов и излучений, лечебно-диагностических аппаратов и технологий. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение. Медицинские физики непосредственно участвуют в лечебно-диагностическом процессе, совмещая физико-медицинские знания и разделяя с врачом ответственность за пациента.