Термогенетика и макрофаги: всемирная конференция RASA 2020

5-6 декабря 2020 года состоялась Всемирная конференция ассоциации русскоговорящих ученых («RASA-Global») и одновременно XI ежегодная конференция американской ассоциации RASA (America).

Конференция прошла в онлайн-формате, объединив ученых из России, Америки, Азии и Европы. В этом году мероприятие посвящено выдающимся ученым из научной династии Струве, астрофизику Отто Людвиговичу Струве и историку и экономисту Петру Бернгардовичу Струве, 150-летний юбилей которого отмечается в этом году.

Как отметил начальник Управления международного сотрудничества РАН Сергей Маленко, подобного рода сессии и другие онлайн-мероприятия совместно с RASA будут организованы в течение 2021 года. «Кроме того, мы договорились с коллегами из ассоциации русскоговорящих ученых о том, что в период 2022 – 2023 года проведем международную конференцию, посвященную 300-летию РАН» - отметил Маленко.

В рамках одной из многочисленных сессий "Биомед №3 – Сессия им. Ивана П. Павлова" спикеры представили подробные доклады о способах лечения сердечных заболеваний, термогенетике и роли макрофагов в процессах передачи генов.

Заслуженный профессор Университета Джорджа Вашингтона Игорь Ефимов осветил вопрос сердечных заболеваний и их терапии.

Внезапная сердечная смерть остается лидирующей непосредственной причиной смерти даже во времена пандемии. Многие больные коронавирусной инфекцией уходят из жизни из-за полученных осложнений именно на сердце. Снижение смертности от заболеваний сердечно-сосудистой системы может значительно увеличить среднюю продолжительность жизни населения. Основным методом борьбы с  внезапной сердечной смертью остается дефибриллятор. Его вживляют в правый желудочек сердца, и он цепляется в небольшому генератору, а этот генератор детектирует фибрилляцию желудочков.

Одно из самых распространенных сердечных заболеваний в России – мерцательная аритмия. Есть фронт возбуждения, плато потенциала действий и возбудимая часть перед фронтом возбуждения. Если последнее уничтожить, то аритмию можно остановить. Чтобы это сделать, нужно стереть электрическую активность сердца. Сейчас ученые работают над созданием способа устранения аритмии с использованием небольшого количества энергии. Эксперименты показали, что дефибрилляцию мерцательной аритмии можно сделать в 0,6 Джоулей. Это на порядок меньше, чем было сделано с помощью бифазного импульса примерно 10-15 лет назад.

Исследователи заняты разработкой прибора, состоящего из трех различных сетей, которыми будет управлять искусственный интеллект. Первая сеть – сенсоры, вторая – вычислительная, она будет изучать сигналы и принимать решения, третья – актуаторы (стимулирующие электроды). Эти элементы, связанные в одну сеть, позволят детектировать зазор и наносить стимул в этот зазор, таким образом останавливая аритмию без необходимости огромных энергий. 

Растворяемый кардиостимулятор

В ходе своего выступления Ефимов поделился еще одной планируемой разработкой – созданием растворяемого кардиостимулятора.

Необходимость изобретения такого прибора обусловлена тем, что работа с обычными временными кардиостимуляторами может привести к нехорошим последствиям при их излечении из сердца пациента.

Врожденный порок сердца – заболевание, которое требует хирургического вмешательства. «Одно из осложнений этого лечения состоит в том, что стоит блок между предсердиям и желудочками, примерно 4-5 дней после этой процедуры желудочкам требуется кардиостимуляция, - рассказывает Игорь Ефимов. - К счастью, это воспаление проходит через несколько дней, и восстанавливается нормальное поведение. После этого нужно вынуть электрод. Вставляется проволочка (электрод) в сердце, дальше он соединяется с внешним генератором (кардиостимулятором), и через 4-5 дней он выдергивается. К сожалению, происходит фиброз, который может привести к различного рода воспалениям».

Растворяемый кардиостимулятор поможет избежать возникновения возможных осложнений. После того, как электрод выполнит свою задачу, он растворится. Необходимости извлекать его из сердца не будет. Для создания такого стимулятора ученые используют растворимые материалы, например, магний и силиконовые наномембранные диоды. Кардиостимулятор растворяется сам на 35 день. Изобретенный прибор прошел испытания на крысах и собаках и показал прекрасные результаты. Кроме того, ученые придумали новый способ вживления прибора в сердце – теперь вместо вшивания стимулятора в орган его будут приклеивать.

Профессор и руководитель лаборатории института биоорганической химии РАН Всеволод Белоусов посвятил свой доклад термогенетике.

Оптогенетику считают хорошим способом для исследования функций нейронов. Ее принцип работы заключается в выстраивании в нейронах ионных каналов и подвержении их световому облучению. Однако, эта технология имеет ряд недостатков: низкая проницаемость синего цвета в ткани и плохая проводимость тока. В качестве альтернативы оптогенетики ученые называют термогенетику.

Термогенетика – технология, основанная на термочувствительных каналах семейства TRP. У нее высокая проводимость, нейроны можно нагревать инфракрасным светом или другим источником тепла, и инфракрасный свет не видят модельные животные. Эти каналы есть у всех млекопитающих, они разные по чувствительности к температуре, и у них есть химические активаторы.

Преимущества термогенетики

Она пригодна не только для нейронов, но и для самого широкого круга клеток. Это связано с тем, что  TRP каналы проводят кальций. А кальций – универсальный активатор постмиокардических клеток. На этом этапе исследования ученые подняли вопрос о возможности доставки кальция непосредственно в клетку.

Регулятор обмена кальция в костях может лечить диабет. При помощи понимания возможности или невозможности доставки кальция напрямую в клетку, можно ответить на вопрос, какое количество кальция необходимо для выброса инсулина. Эксперименты показали, что кальций растет синхронно с подачей света. То есть кальцием можно управлять, инсулин действительно выбрасывается под действием света.

Перспективы термогенетики

По словам Белоусова, главной перспективой развития термогенетики должно стать клиническое использование. «У нас с вами есть свои TRP каналы человеческие. То, чем мы сейчас занимаемся - стимуляция кардиомиоцитов. Почти любые клетки можно так стимулировать, потому что кальций – ключевой мессенджер в них».

О роли макрофагов в процессах передачи генов рассказал заслуженный профессор университета Чаппер-Хилл в Северной Каролине, член-корреспондент РАН Александр Кабанов.

В середине 80-х годов был создан подход, который говорил о том, что можно взять молекулы ДНК или РНК и создать взаимодействие их отрицательно заряженных частиц с с положительно заряженными частицами, получив таким образом наночастицы. Этот подход получил применение в 2020 году, поскольку вакцины – это РНК, которая компактно доставляется с помощью липидных наночастиц в клетку. Тогда учеными был предложен способ с применением катионных полимеров вместо липидов.

С начала 90-х годов было известно, что если взять чистую ДНК и ввести в мышцу, то она будет производить белок. Но уровень экспрессии был очень низкий. Исследователи пытались ее усилить с помощью полиплексий, но это не приносило результатов. Тогда ученые прибегли к помощи плюроника, с которым Александр Кабанов совместно с Владимиром Чехониным уже работали.  «Мы посмотрели, что происходит в органах: плюроники увеличивают экспрессию генов не только в мышцах, но и увеличивают количество белка в селезенке и лимфатических узлах в 100 раз. Оказалось, что мы увеличиваем количество ДНК, - рассказывает профессор. - Речь шла не только об увеличении белка, а также о переносе генетического материала. Мы предположили, что происходит захват молекулы ДНК макрофагами, и они разносят ДНК далеко в организме. Когда мы вкалываем иглу с ДНК в клетку, в месте нарушения макрофаги начинают входить, и ДНК начинает экспрессироваться в клетках мышц. Но когда мы используем плюроники, макрофагов намного больше. Макрофаги играют роль. Мы точно знаем, что экспрессия, которую мы видим, происходит в макрофагах».

Макрофаги концентрируются в местах поражения. Тогда ученые стали использовать это для лечения мозга, а именно для лечения заболевания Паркинсона. Макрофаги путешествуют к месту воспаления мозга, которое связано с заболеванием Паркинсона. Кроме того, макрофаги могут помочь в борьбе с раковыми клетками. Макрофаги приходят в место поражения и блокируют раковые клетки.

Фото: RASA