Главная Университет Университет в СМИ «Живые» науки: продуктивный симбиоз

«Живые» науки: продуктивный симбиоз

 Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников. 

Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников

Результаты научных исследований, проводимых в области биофизики, клеточной инженерии, молекулярной биологии и нанобиотехнологии, подведены на международной научной конференции «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» и 13-м съезде Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков.

На масштабном форуме, организованном Институтом биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси и БГУ, было представлено около 190 докладов ведущих ученых из Беларуси, России, Украины, Армении, Азербайджана, Польши, Германии, Италии, Турции, Литвы, Латвии. В программе пленарных и секционных заседаний были широко представлены научные центры медицинского профиля. Итоги совместных проектов служат фундаментом для развития прикладных исследований в области диагностики и терапии, создании лекарственных препаратов нового  поколения.

Надежда на лазерную терапию

Исследования механизмов действия низкоинтенсивного лазерного и светодиодного излучения видимого диапазона на биологические объекты проанализировал в своем докладе заведующий кафедрой общей и медицинской биофизики Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова доктор биол. наук, профессор Анатолий Осипов. Ученый рассмотрел существующую практику и перспективы использования этого вида излучения для решения научных и клинических задач. 

«Проведенные у нас исследования показали, что воздействие низкоинтенсивного лазерного и светодиодного излучения, опосредованное присутствием порфиринов как фотосенсибилизаторов может индуцировать процессы перекисного окисления липидов и, как следствие, усиливать транспорт ионов Са2+ в клетки и таким образом повышать активацию фагоцитов. Этот подход был успешно использован для лечения гнойных поверхностных ран, которые не поддавались традиционной терапии антибиотиками. Второй пример: использование низкоинтенсивного лазерного и светодиодного излучения позволяет улучшить приживаемость кожи после пересадки за счет усиления перфузии крови в кожном лоскуте, вызванного воздействием оксида азота, выделяющегося при фотолизе нитрозильных комплексов гемоглобина.»

В чем сила  атомно-силовой микроскопии?

Профессор кафедры медицинской и биологической физики ГГМУ доктор биол. наук Мария Стародубцева рассказала о выявленных с помощью метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) структурных и механических свойствах поверхности эритроцитов при наследственном сфероцитозе.

«Наследственный сфероцитоз — наиболее часто встречающаяся в Европе форма гемолитических анемий. Он обусловлен мутациями в генах, кодирующих синтез белков мембраны и примембранного скелета эритроцитов. Нарушения регулярности связей последнего с плазматической мембраной ведут к трансформации дискоидной формы эритроцитов в сфероидную. В большинстве случаев процесс протекает доброкачественно, но с возрастом повышается риск избыточного накопления железа, что приводит к сахарному диабету, поражению печени, сердца, эндокринным аномалиям. 

АСМ-исследования проводили на атомно-силовом микроскопе «НТ-206» («Микротестмашины», Беларусь). Оценивали пространственный период, фрактальную размерность и лакунарность структуры карт механических свойств, а также параметры сил трения и модуля упругости. Спектральный анализ карт механических свойств показал наличие в них по крайней мере двух типов периодических структур. При этом вклад крупноячеистой структуры, соотнесенной с цитоскелетной сетью с пропуском точки ее вертикального крепления к мембране, примерно одинаков для дискоцитов и эхиноцитов (37–40 %) и значительно снижен для сфероцитов (19 %). Фрактальный анализ карт латеральных сил подтвердил качественное различие структуры механических свойств поверхности сфероцитов и двух других исследованных морфологических типов и количественное различие структур для дискоцитов и эхиноцитов.

Модификации структуры мембранного скелета сопровождаются также изменениями упругих и фрикционных свойств поверхности эритроцитов. В популяции эритроцитов пациентов с наследственным сфероцитозом выявлена гетерогенность механических свойств, обусловленная наличием эритроцитов разных морфологических типов с разными структурами мембранного скелета.

В результате исследований было установлено, что дискоциты пациентов с наследственным сфероцитозом характеризуются высокой степенью гетерогенности распределения механических свойств поверхностного слоя на наномасштабах. Сфероциты и эхиноциты являются более упругими, для них характерны более высокие значения сил трения скольжения на микромасштабе в сравнении с соответствующими свойствами дискоцитов. На наномасштабах параметры распределения механических свойств поверхностного слоя сфероцитов и эхиноцитов также различаются.

С учетом высокого процента недискоидных форм эритроцитов в периферической крови (свыше 30–40 %) пациентов с наследственным сфероцитозом можно предположить наличие нарушения структуры кровотока в сосудистой системе, что приводит к хроническому стрессу и воспалению эндотелия.

За последние годы применение АСМ для исследования свойств клеток позволило получить принципиально новые знания об изменении их свойств на уровне целых клеток и микро- и наномасштабных участков их поверхности. АСМ-параметры клеточной поверхности позволяют разрабатывать новые критерии для оценки состояния клеток как в норме, так и при патологиях. Важно, что методы диагностики патологии организма на клеточном уровне основаны на оценке физико-механических свойств клеточной поверхности. В связи с широкими возможностями АСМ актуальны разработка и внедрение методов АСМ в практическую медицину.»

Наночастицы и белки

Заведующий лабораторией протеомики Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси доктор биол. наук Дмитрий Щербин выступил с докладом «Наночастицы и белки». 

«Нанотехнологии и нанонаука — это новые виды дисциплин, которые превращают классические науки, например химию, биологию, физику и молекулярное моделирование, в новые подходы для создания средств и лекарств инновационной наномедицины. В связи с этим очень важно понять главные принципы взаимодействия между наночастицами и основными биологическими системами, в частности белками. Нами установлены основные механизмы взаимодействия дендримеров с белками. В частности показано, что взаимодействие «дендример — белок» происходит преимущественно на поверхности белковой глобулы и определяется электростатическими взаимодействиями между заряженными группами дендримера и аминокислотных остатков белка. При этом интенсивность взаимодействия «дендример — белок» зависит как от ионной силы и рН среды, так и от присутствия жирных кислот. Обнаружена зависимость влияния дендримеров на белки от уровня жесткости структуры белковой макромолекулы; показано, что активность ферментов в присутствии дендримеров может снижаться. 

При сравнении наночастиц с различной дендронизацией определено, что влияние наночастицы на структуру белков значительно уменьшалось при росте дендронов до второй и третьей генераций. Дендронизация золотых наночастиц приводила к восстановлению иммунохимических свойств белка. Таким образом, дендронизация наночастиц золота помогает улучшить их биосовместимость, защищая от взаимодействия с белками плазмы. Полученные данные указывают на важность исследований в данной области, поскольку взаимодействия наночастиц с белками играют решающую роль в успешной абсорбции, биосовместимости, в эффективности воздействия и экскреции из организма как наночастиц, так и систем доставки лекарственных средств на их основе.»

Виртуальный скрининг против ВИЧ-1

С докладом «Компьютерный скрининг и идентификация потенциальных ингибиторов ВИЧ-1 на основе высокоаффинных лигандов белков оболочки вируса» выступил научный сотрудник Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси Иван Кашин. 

«В работе, выполненной совместно с Институтом биоорганической химии НАН Беларуси, мы использовали комплексный подход к рациональному конструированию лекарств. Он включает методы виртуального скрининга, высокопроизводительного докинга и молекулярной динамики для идентификации потенциальных анти-ВИЧ агентов, представляющих пептидомиметики высокоаффинных и селективных лигандов белков оболочки вируса, нейтрализующих антител VRC01, 3074, 10Е8 и клеточного рецептора CD4. В результате исследований обнаружены пептидомиметики моноклональных анти-ВИЧ антител с широкой вирусной нейтрализацией и первичного рецептора CD4, обладающие пространственными и фармакофорными признаками, ответственными за проявление биологической активности. Показано, что найденные соединения могут проявлять высокую аффинность связывания с белками оболочки ВИЧ-1 путем имитации взаимодействий вируса с рецепторами клеточной мембраны, которые обеспечивают его прочную адсорбцию на поверхности клетки-мишени. 

На основе анализа данных компьютерного моделирования сделан вывод о том, что обнаруженные пептидомиметики лигандов белков оболочки вируса формируют перспективные базовые структуры для разработки эффективных ингибиторов ВИЧ-1 с широким спектром действия. Предсказано, что комбинированное использование этих низкомолекулярных соединений, блокирующих три ключевые стадии процесса проникновения ВИЧ-1 в чувствительные клетки, позволит предотвратить репликацию вируса и существенно снизить уровень вирусной нагрузки в плазме крови.

Полученные результаты могут быть использованы при создании новых анти-ВИЧ препаратов, терапевтическое действие которых основано на блокаде ранних стадий развития ВИЧ-инфекции.»

На основе термодинамики

О компьютерном моделировании водного обмена головного мозга рассказал руководитель группы изучения ишемии и отека головного мозга РНПЦ неврологии и нейрохирургии доктор биологических наук, профессор Эрнст Титовец.

«С водным обменом связаны многочисленные жизненно важные процессы головного мозга: перенос субстратов, газов, сигнальных и биологически активных молекул, регуляция теплообмена. Отек головного мозга и другие патологии имеют в своей основе нарушения церебрального водного обмена. В настоящее время классические представления центральной роли хориоидального сплетения в водном обмене головного мозга не могут объяснить накопленные за последнее десятилетие экспериментальные и клинические наблюдения. В этих условиях компьютерное моделирование становится важным направлением исследования этого обмена.

Разработана модель транскапиллярного обмена жидкости между группой капилляров в заданном объеме коры головного мозга. Этот обмен описан на основе формализма линейной неравновесной термодинамики. Модель дает возможность исследовать движение интегральных потоков жидкости в коре головного мозга — и на ее основе уже изучены условия возникновения некоторых видов отека головного мозга. Модель может быть использована при исследовании механизмов экстрасинаптической передачи. Она демонстрирует возможности регуляции водного обмена при его нарушениях путем направленного воздействия фармакологических средств на активность аквапорина 4.»

Эритроцит «раскрывает карты»

С докладом «ЭПР-спектроскопия физико-химических характеристик сывороточного альбумина и мембран эритроцитов крови человека» выступил профессор кафедры биофизики физического факультета Московского государственного университета доктор физико-математических наук Энно Рууге. 

«Одна из актуальнейших проблем современной медицины — хроническая сердечная недостаточность. В нашей работе рассмотрены современные представления о возможных последствиях патологического стресса, приводящего к изменениям структурно-функциональной взаимосвязи в молекулах сывороточного альбумина — важнейшего транспортного белка плазмы крови человека. Показана связь подобных изменений с патогенезом ряда заболеваний (онкология, сердечная недостаточность, гипертония, диабет), проанализированы возможности ЭПР-спектроскопии спиновых меток в решении задач физико-химической медицины. 

В представленной работе детально изучена взаимосвязь между спектральными параметрами спин-меченых аналогов стеариновой кислоты и характеристиками центров связывания жирных кислот на молекуле сывороточного альбумина в норме и при различных отклонениях в характеристиках крови, обусловленных возникновением сердечно-сосудистой недостаточности.

Многими исследователями показано, что способность эритроцитов изменять форму и размеры играет огромную роль в функционировании организма. При этом необходимая для прохождения через капилляры деформируемость эритроцитов определяется эластичностью и вязкостью их плазматических мембран. Значимую роль при патогенезе заболеваний сердечно-сосудистой системы играют отклонения от нормального функционирования эритроцитов, приводящие при острых коронарных синдромах к нарушению микроциркуляции крови. С помощью ЭПР-спектроскопии спиновых меток мы провели сравнительное исследование физико-химических свойств мембран эритроцитов в норме и при наличии признаков сердечно-сосудистой недостаточности.»

Необходимо принимать меры

Состояние подготовки научных работников высшей  квалификации по приоритетным специальностям в области биофизики проанализировала доцент кафедры медицинской и биологической физики БГМУ кандидат физико-матем. наук Наталия Никоненко. 

«В республике особое внимание уделяется усилению целевой направленности подготовки научных работников высшей квалификации по приоритетным специальностям, необходимым для развития высокотехнологичных производств. Численность обучающихся в аспирантуре по биологической отрасли на начало 2018 года составила 216 человек, из них 56,5 % проходят подготовку по десяти специальностям, необходимым для развития высокотехнологичных производств. 

Подготовка кадров высшей научной квалификации по приоритетным специальностям в области биологических наук преимущественно осуществляется в системе НАН Беларуси и Министерства образования. В докторантуре по биологической отрасли проходят подготовку 24 человека, из них 62,5 % обучается по пяти приоритетным специальностям. По приоритетным специальностям 03.01.02 «Биофизика» и 03.01.06 «Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)» проходят подготовку в аспирантуре 9 и 22 человека соответственно. В докторантуре по специальности «Биофизика» обучается всего лишь один докторант.

Для обеспечения воспроизводства научного кадрового потенциала республики в области биофизики необходимо принятие мер по поддержке авторитетных научных школ и привлечению молодых специалистов в науку.» 

Автор: Дмитрий Патыко
Медицинский вестник, 27 июля 2018

 

 Поделитесь