Двигаться с прогрессом: какие направления науки развивают молодые ученые
Российские ученые выяснили, как повысить эффективность перспективной иммунотерапии рака с помощью кишечных бактерий, придумали, из чего сделать самые яркие светодиоды для автомобилей и самолетов, и создали золотые «нанофонарики» для борьбы с устойчивыми госпитальными инфекциями. Совместно с Российским научным фондом «Известия» собрали перспективные проекты, над которыми работают молодые ученые в возрасте до 39 лет.
Кишечные бактерии против рака
Во всем мире одним из самых перспективных направлений борьбы с раком считается иммунотерапия. Чтобы нацелить защитную систему организма человека на борьбу с опухолью, врачи блокируют контрольные точки с помощью специальных веществ-ингибиторов, тем самым лишая раковые клетки «маскировки». Однако исследования показали, что далеко не для всех пациентов такой тип борьбы с раком оказывается эффективным, более того, у некоторых он даже вызывает тяжелые аутоиммунные побочные эффекты.
Ученые из Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины им. Ю.М. Лопухина (Москва), Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург) и Московского физико-технического института (Москва) проанализировала метагеномы 680 образцов стула от 449 пациентов, проходивших иммунотерапию для лечения меланомы. Кроме того, были найдены биомаркеры, которые помогают прогнозировать реакцию онкологических пациентов на иммунотерапию и позволят создать первые в России диагностические тесты, а также дают возможность формулировать рекомендации для реабилитации больных.
— Мы определили три вида бактерий, которые в 85% случаев были связаны с успешной иммунотерапией рака. Один из них — представитель бифидобактерий, содержащихся в молочных продуктах и используемых в пробиотиках. Это говорит о том, что для более успешной терапии меланомы можно рекомендовать пациентам принимать пробиотики, улучшающие состояние кишечной микрофлоры, — пояснил кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины им. Ю.М. Лопухина Евгений Олехнович.
Исследование может быть полезно в разработке новых медицинских технологий для борьбы с раком и повышения качества жизни больных.
Лазеры стали мощнее
Российские ученые придумали, как повысить мощность полупроводниковых лазеров. Приборы, излучающие свет с длиной волны около 1550 нанометров в инфракрасном диапазоне, используются для передачи информации на большие расстояния: десятки, сотни и тысячи километров, а также в автомобильных лидарах — устройствах для измерения дальности и получения 3D-изображений окружающего пространства. Также их применяют в системах медицинской диагностики и в приложениях, связанных с обеспечением безопасности.
Специалисты из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и научно-исследовательского института «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха (Москва) сумели повысить мощность полупроводниковых лазеров с помощью барьерных слоев, препятствующих утечки электронов из активной зоны прибора, в которой генерируется излучение. Такие слои не дают заряженным частицам на больших скоростях пролетать мимо, в результате чего они накапливаются и создают более мощный световой импульс.
— Нам удалось установить основную причину потери мощности полупроводниковых лазеров и устранить ее, введя в гетероструктуру барьерный слой для электронов. В дальнейшем мы планируем искать новые варианты самой конструкции лазера, которая позволит еще больше повысить эффективность устройства, — рассказал руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Александр Подоскин.
Предложенный подход позволит заметно увеличить эффективность существующих лазеров, диагностических систем, а также устройств для измерения дальности.
«Нанофонарики» против госпитальных инфекций
Специалисты из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов предложили находить микробные загрязнения на медоборудовании с помощью светящихся золотых «нанофонариков». Так исследователи назвали структуры, в которые входят ультрамалые частицы благородного металла.
— Полученная на их основе «флуоресцентная краска» способна взаимодействовать с биопленкой и сохранять при этом светящиеся свойства, — рассказал «Известиям» один из основных исполнителей проекта младший научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологии ИБФРМ РАН Даниил Чумаков.
Младший научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологии ИБФРМ РАН Даниил Чумаков и руководитель проекта младший научный сотрудник ИБФРМ РАН Стелла Евстигнеева
Подход обеспечивает в 10 раз большую чувствительность, чем стандартный метод диагностики. Он поможет предотвратить развитие внутрибольничных инфекций. В биопленке объединено порядка 95% всех бактерий. Например, это может быть налет, который остается на стенках сосудов, если в них долго была вода. Или плотные бактериальные маты (сообщества микроорганизмов) в пещерах. У человека микробные биопленки образуются на поверхности кожи, в ротовой полости, на стенках желудка и во многих других частях организма.
— Особую опасность представляют колонии патогенных бактерий. Например, они могут покрывать поверхности медицинского оборудования. Часто такие образования невозможно увидеть без специального оборудования. В нашем тесте частицы золота связываются с биопленками, в буквальном смысле высвечивая их, — пояснила руководитель проекта младший научный сотрудник ИБФРМ РАН Стелла Евстигнеева.
Свет люминофора
Химики Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с китайскими коллегами сделали прорыв в разработке мощных светодиодных устройств для авиа- и автомобилестроения. Для этого они создали новый метод получения термостойких люминофоров — материалов — преобразователей цвета, эффективность свечения которых удалось повысить до рекордных 80,7%.
Популярные сегодня белые светодиоды на основе порошковых люминофоров со временем имеют неоднородное свечение из-за «выгорания», что затрудняет создание на их основе энергоэффективных и высокомощных источников белого света различных оттенков. В поисках решения этой проблемы ученые предложили получать термостойкие люминофоры в форме композитных керамик, применяя технику реакционного искрового плазменного спекания коммерчески доступных порошков оксидов.
— Сейчас мы заняты производством серийных опытных образцов и макетов осветительных устройств на их основе. В дальнейшем мы планируем перейти на этап опытно-конструкторских и технологических работ с привлечением индустриальных партнеров, — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат технических наук, профессор ДВФУ, директор НОЦ «Передовые керамические материалы» Денис Косьянов.
Новый подход уменьшил температуру на 20% и сократил общую продолжительность процесса в 10–20 раз по сравнению с базовой технологией.
