Ученые Сколтеха придумали, как сделать внутренний мир человека ярче ― в прямом смысле этого слова. Под руководством химика Полины Григорьевны Рудаковской здесь разрабатывают контрастные агенты для ультразвука, аналогов которых нет в России, а в мире ― всего единицы. Отечественные контрастные агенты для УЗИ представляют собой суспензию биосовместимых микропузырьков, визуально напоминающую пену капучино.
Каждый год в России проводят около 100 млн процедур УЗИ, но у этого исследования есть недостаток — низкое разрешение снимков, ухудшающее качество диагностики. Контрастные агенты способны сделать УЗИ более эффективным и универсальным, выявить заболевания на ранней стадии, а в перспективе даже помочь в борьбе с ними, например, убивая раковые клетки совместно со специальными препаратами. Подробнее об этом ― в нашем интервью с П.Г. Рудаковской.
Справка: Полина Григорьевна Рудаковская ― кандидат химических наук, научный сотрудник Центра фотоники и фотонных технологий Сколковского института науки и технологий, руководитель успешно завершенного проекта «Новые функциональные агенты гибридной визуализации на основе амфифильных полимеров для задач репродуктивной медицины» и нового проекта «Новые сонохимические системы на основе микропузырьков и молекулярных сенсибилизаторов активных форм кислорода для задач сонодинамической терапии», поддержанных РНФ, руководитель молодежной научной группы Сколковского института науки и технологий.
― В чем преимущество контрастных агентов для УЗИ?
― Вы наверняка знаете о контрастных агентах для МРТ и КТ, без которых невозможно провести высокоэффективную медицинскую диагностику, а вот контрастные агенты для ультразвука обычно не на слуху: их крайне редко используют и это достаточно новая область исследований. Между тем ультразвук ― более дешевый метод диагностики в сравнении с МРТ и КТ, УЗИ-аппараты сегодня есть в любой поликлинике. Но их слабая сторона ― недостаточное разрешение снимков. Именно поэтому при проведении процедуры ключевую роль играет человеческий фактор: профессионализм узиста. Благодаря контрастным агентам эта зависимость пропадает и эффективность УЗИ приближается к показателям КТ, что дает огромное преимущество.
При использовании контраста картинка УЗИ становится максимально четкой, разрешение увеличивается в разы и мы можем визуализировать гораздо большее количество проблем.
Так, если контрастный агент вводится в печень, то можно увидеть опухоли и метастазы, находящиеся в ней. С помощью контрастного агента для ультразвука можно также диагностировать бесплодие: это так называемый метод эхогистеросальпингографии, разработанный в НМИЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. ак. В.И. Кулакова. Мы сотрудничаем с учеными и врачами центра в области разработки препаратов для диагностики бесплодия.
Процесс получения микропузырьков для создания контрастных агентов для УЗИ.
Фото: Татьяна Естифеева / Сколтех
― Ваши контрастные препараты для УЗИ безвредны для организма?
― Да. В их основе ― биосовместимые материалы, а именно белки и биосовместимые сополимеры, стабилизирующие наши микропузырьки. Последние распадаются на воздух и фрагменты оболочки. Эти фрагменты оболочки полностью выводятся из организма через 48 ч.
― Как вы думаете, почему никто в России ранее не занимался созданием контрастных агентов для УЗИ?
― Мне кажется, из-за того, что это совершенно новая область исследований для российской науки, ранее у ученых не было таких задач и они не работали с подобными материалами. При этом в мировой практике контрастные агенты для УЗИ используются еще с 2001 г. За рубежом применяют три препарата (два вида) контрастных агентов, но на российский рынок, к сожалению, не поступает ни один из них.
― Чем ваша разработка отличается от того, что делают за границей?
― Изначально мы отталкивались от того, что уже было сделано в этой области в мире, потому что изобретать велосипед не имеет смысла. Но перед нами стояла задача улучшить существующий материал, и мы успешно ее решили.
Нам удалось получить прототип контрастных агентов, работающий эффективнее, чем импортные аналоги на основе белков.
Свечение наших контрастных агентов интенсивнее, а их циркуляция в организме длится на две минуты дольше, то есть более семи минут, что имеет очень большое значение при проведении диагностики.
― А почему важна более высокая интенсивность свечения?
― Благодаря ему мы можем увидеть патологии, существующие в организме, или их отсутствие: если свечение есть, значит полость свободна и в ней нет никаких образований. Кроме того, высокая интенсивность свечения помогает более эффективно изучать проходимость органов, полостей, сосудов. Яркий свет, свободно протекающий, например, по сосудам, свидетельствует об их проходимости. Прерывистое свечение, в свою очередь, говорит о каких-то проблемах в организме, например о новообразованиях, которые предстают перед нами как темная область на фоне яркого свечения.
Чем интенсивнее свечение, тем четче мы видим ореол того, что подсвечиваем.
УЗИ считается безопасным методом диагностики из-за неинвазивности и отсутствия лучевой нагрузки. Контрастные агенты для УЗИ, в свою очередь, в отличие от контраста МРТ и КТ не токсичны для человеческого организма. Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
― Расскажите, пожалуйста, подробнее, как устроены ваши контрастные агенты.
― Наш контрастный агент представляет собой микропузырек, в основе которого ― биосовместимая оболочка. Она может состоять из белков, жиров или полимеров, а внутри нее ― газовое ядро. В нашем случае мы совместили белки и биосовместимые полимеры, которые дают устойчивую оболочку и эффективный ультразвуковой отклик, достигаемый за счет кавитации микропузырьков под действием ультразвукового датчика.
― Насколько малы такие микропузырьки?
― Человеческий волос имеет толщину около 80–100 мкм, а наш пузырек, в свою очередь, меньше него в 80–100 раз (его размер составляет всего несколько микрометров). Клетки крови, эритроциты, имеют размер 7–8 мкм. Таким образом, в сравнении с ними наш микропузырек ― это лилипут в стране Гулливера.
― В данный момент вы проводите эксперименты только с животными?
― Да, пока что мы проводим исследования с участием мышей и крыс, а также используем фантомы, то есть модели, или искусственные органы человека. Так, например, для исследования гинекологических заболеваний мы не можем задействовать крыс, потому что их репродуктивная система кардинально отличается от нашей. Именно поэтому мы разработали тканеподобные фантомы женской репродуктивной системы для моделирования контрастных агентов.
― Из какого материала они изготовлены?
― Мы подбираем различные по составу материалы, в основном фантомы состоят из желатина, агарозы и загустителя. По плотности это что-то похожее на холодец или всем знакомых желатиновых мишек. На самом деле, если говорить о том, как проходит ультразвуковая волна в теле человека, наш организм имеет много общего с упомянутыми продуктами питания.
― Очень интересно!
― Да. Кстати, такие фантомы могут быть полезны и для обучения медиков. В наше время доктора, к сожалению, до сих пор учатся на пациентах. Понятно, что работа с человеком крайне важна, но сами врачи сегодня признают, что использование фантомов тоже необходимо. Мы уже получили обратную связь от представителей здравоохранения, которые очень заинтересованы в том, чтобы наши фантомы были доведены до стадии внедрения в клиническую и образовательную практику.
― Когда вы доработаете эти фантомы, потребность в экспериментах с участием крыс отпадет?
― Нет, мы продолжим параллельно работать с этими животными, потому что их ткани и кровь близки к человеческим по строению и составу, и мы вряд ли сможем смоделировать их в будущем. Для нашей дальнейшей работы эксперименты на животных имеют принципиальное значение, ведь только после них мы сможем перейти к клиническим испытаниям с участием людей.
― Каковы промежуточные итоги ваших текущих исследований?
― Мы получили эффективный прототип контрастного агента для УЗИ и в ближайшее время будем оформлять патент. Наша задача не только научная: мы хотим выйти на фармацевтический рынок и надеемся, что через пять-десять лет эта разработка будет применяться для диагностики заболеваний.
― И для их лечения тоже?
― Такая возможность существует. Это следующий, более сложный этап исследований. Созданные нами микропузырьки действительно имеют много новых интересных свойств, которые могут быть использованы в терапии различных заболеваний. Это так называемая тераностика ― совмещение диагностики (в данном случае с помощью контрастных агентов) и лечения: лекарство может быть доставлено внутрь клетки вместе с нашим контрастным агентом, который сам при этом остается в межклеточном пространстве, то есть не проникает непосредственно в клетку. Это очень перспективная область исследований. В Сколтехе под моим руководством работает большая научная группа: мы занимаемся разработкой микропузырьков не только для диагностики, но и для терапии.
Полина Григорьевна Рудаковская в лаборатории биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
― Как вы думаете, насколько масштабируем ваш проект?
― Это очень актуальный вопрос. Наши проекты выполняются при поддержке Российского научного фонда, которому мы очень благодарны. Недавно аспирантка Сколтеха Татьяна Естифеева выиграла грант как раз таки в области масштабирования исследований, в рамках программы «Умник» Фонда содействия инновациям. В своей работе она показала, что можно перейти от 2 мл нашей суспензии (контрастного агента) к 200 мл. Это неплохая перспектива, и мы будем продолжать работать в этом направлении и дальше. Но чтобы перейти на более серьезные мощности, нам нужна финансовая поддержка фармкомпаний, и сейчас мы активно ищем ее.
― Для выявления каких заболеваний ваша разработка будет полезна в первую очередь?
― Одно из перспективных направлений для использования контрастных агентов ― это диагностика бесплодия, которое в 60% случаев связано с непроходимостью маточных труб. Выявить эту проблему и в некоторых случаях даже справиться с ней позволяет метод контрастной эхогистеросальпингографии. Другое перспективное направление ― диагностика заболеваний сердца: визуализация сердца и диагностика области инфаркта.
Это очень важно, потому что если сразу после инфаркта понять, какая область затронута и насколько она обширна, то лечение будет максимально эффективным.
Кроме того, наши контрастные агенты могут быть использованы для диагностики заболеваний печени. Благодаря им в печени можно четко увидеть новообразования и другие изменения. Диагностика почек и кровотока тоже станет гораздо эффективнее, если применять контраст. Метод контрастного УЗИ также незаменим для диагностики рака молочной железы.
― Сможет ли УЗИ с контрастом в будущем заменить КТ и МРТ?
― В каких-то исследованиях ― да. Собственно, для этого мы и работаем: чтобы хотя бы частично компенсировать с помощью контрастного УЗИ дефицит КТ и МРТ в отдаленных регионах. Кроме того, существуют некоторые противопоказания для проведения МРТ и КТ, и здесь на помощь как раз может прийти ультразвук. Мы не думаем, что он сможет полностью заменить другие методы диагностики, потому что существуют заболевания, которые можно выявить только при помощи МРТ, например. Ультразвук с использованием контраста, в свою очередь, способен значительно расширить существующие методы диагностики, а в перспективе и терапии.
