Российские ученые приступили к созданию уникального биологического кардиостимулятора, который потребует малоинвазивного вмешательства и будет управляться с помощью света — без опутывающих сердце проводов. В основе подхода — изменение клеток сердца, в которые будут вноситься гены рецепторов, ответственных в организме человека и животных за восприятие тепла. На идею создания такой методики бесконтактной стимуляции сердца ученых натолкнули наблюдения за гремучими змеями. В основу разработки легла технология, аналогов которой нет в мире.
Новую методику стимуляции сердечной мышцы разрабатывают российские ученые. Как сообщил «Известиям» заместитель директора Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ РАН) Александр Исаев, ученые пытаются заменить кардиостимуляторы, которые применяют в медицине сегодня, на более безопасные и комфортные для пациента.
Дело в том, что современные устройства, работающие за счет электрических импульсов, вживляются через большой разрез. Это может грозить развитием воспалительных процессов при инфекциях и неправильном уходе за раневой поверхностью. А электроды, проводящие импульсы по венам, проводятся непосредственно в камеры сердца, что чревато травмированием тканей и сосудов. Поэтому сотрудники ИБХ РАН задумались над тем, как сделать операцию по вживлению стимулирующего устройства малоинвазивной, а сам прибор — беспроводным.
От света к теплу
— Наши ученые предлагают сначала изменить клетки сердца таким образом, чтобы они нужным образом воспринимали тепловое воздействие. Затем — вживить в околосердечные ткани микродиод, который будет излучать свет. Сам принцип мы подсмотрели у гремучей змеи, которая, охотясь ночью, мгновенно определяет источник тепла, — отметил замдиректора ИБХ РАН Александр Исаев.
Научное направление, лежащее в основе такого подхода, когда совмещаются тепловые реакции и генная инженерия, называется термогенетикой, оно выросло из оптогенетики. В обоих случаях в основе лежит воздействие на белки определенных генов с помощью света, но в термогенетике вместо светочувствительности ученые обращаются к чувству восприимчивости тепла или холода. Как пояснил «Известиям» руководитель Лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН Всеволод Белоусов, суть в том, чтобы управлять функциями клеток на расстоянии.
— Медики всегда хотели научиться управлять активностью органов и тканей, чтобы устранять различные дисфункции. В науке существует много способов, как активировать клетки. Чтобы управлять ими на расстоянии, можно использовать различное излучение. Так и возникла оптогенетика, в которой совмещены две области науки. Это оптика — то есть свет, и генетика, так как клетки, по сути, являются «антеннами», которые, воспринимая световой сигнал, кодируются на уровне генома, — разъяснил Всеволод Белоусов.
В случае с кардиостимулятором в качестве клеток-«антенн» ученые выбрали специфические ионные каналы — так называемые trp-рецепторы, реагирующие на тепло и холод.
Управление сердцем
На этапе лабораторных исследований ученые экспериментируют c ионными каналами гремучих змей, однако в дальнейшем во избежание отторжения иммунитетом их хотят заменить на человеческие рецепторы со схожими функциями. Гены белков, из которых состоят термочувствительные рецепторы, будут вводиться пациенту с помощью инъекции.
— Это будет вакцина с вирусной системой доставки, то есть препарат будет проходить по кровотоку, а частицы вируса будут иметь повышенное сродство именно к ткани сердца, поэтому нужные нам гены будут накапливаться именно в сердце, — рассказал Всеволод Белоусов.
После введения такого генного препарата человеку будет вживляться излучатель с батарейкой — инфракрасный светодиод. Как поясняют ученые, по сути, это будет дистанционный кардиостимулятор.
— Важно, что имплантация не будет производиться непосредственно в сердце. Не будет и провода, который идет через сердечную мышцу, вместо него будет использоваться источник инфракрасного излучения. Оно попадает в ткань, терморецепторы, накопленные в клетках сердца — кардиомиоцитах, активируются и стимулируют сокращение мышц, — сообщил Всеволод Белоусов. — По сути, у нас появляется технология, которая позволяет на расстоянии управлять функцией миокарда, — мы просто размещаем у сердечной сумки инфракрасный диод, что менее травматично и позволяет избежать воспаления.
Неизведанное новое
Сейчас ученые отрабатывают новую технологию в лаборатории и планируют получить разрешение на проведение доклинических испытаний. По плану на фундаментальную часть исследования должно уйти порядка двух лет. Однако, как пояснил замдиректора по науке ИБХ РАН Александр Исаев, процесс разработки может затянуться.
— Особенность этого метода такова, что в стране отсутствуют даже прописанные методы доклиники и клиники. Никто не понимает, как это регулировать. Нужно сначала изменить некие регламентные документы, для того чтобы проводить испытания. За границей такие исследования спокойно проходят, — отметил ученый.
Декан медико-биологического факультета, заведующая кафедрой биофизики и функциональной диагностики СибГМУ Светлана Гусакова считает, что разработка учены ИБХ РАН — это совершенно новое направление в области биомедицинских исследований.
— Оптогенетика — это технология не только манипуляции, но и контроля над электрофизиологическими свойствами возбудимых тканей, таких как мозг и сердце. Сама идея создания бесконтактного кардиостимулятора базируется на знаниях, полученных за последнее десятилетие по разным отраслям науки — генетики, клеточной биологии, биофизики. Это именно та ситуация, когда новые знания фундаментального характера трансформируются в новую технологию. Авторам предстоит еще немало работы, чтобы отработать новую технологию в лаборатории и, наверное, еще больше предстоит сделать для получения разрешения на проведение доклинических и клинических испытаний, — отметила Светлана Гусакова.
Директор Института персонализированной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Филипп Копылов сообщил, что предлагаемая учеными ИБХ РАН методика обсуждается в мировой научной литературе в разных вариантах с 2010 года.
— Потенциально она может рассматриваться как способ контроля сердечного ритма, однако на пути решения этой задачи стоит большое количество разнообразных проблем по изменению генома в одном отдельном органе человеческого организма. По состоянию сегодняшнего научного знания задача представляется решаемой в горизонте 10 лет, — считает Филипп Копылов.
Проект по созданию малоинвазивного кардиостимулятора является одним из приоритетных в ИБХ РАН. Он входит в программу работы созданного на базе института Центра компетенций Национальной технологической инициативы, который получил государственный грант на реализацию исследовательской деятельности в области управления свойствами биологических объектов. Оператором проекта центров компетенций является Российская венчурная компания.