«Находятся ли имплантируемые живые аптеки в пределах досягаемости?» – так называется статья ученых из американского Северо-Западного университета, опубликованная 17 октября 2024 года в журнале Science.
Что же такое живая аптека?
Совсем недавно мы были свидетелями поразительного успеха клеточной терапии в лечении сахарного диабета. Нескольким пациентам были имплантированы их собственные клетки, перепрограммированные таким образом, что они начали производить инсулин.
Успехи биоэлектроники тоже впечатляют. При помощи разного рода электронных устройств, имплантируемых в глаз, ухо и даже в мозг, врачи возвращают пациентам утраченные функции организма.
Профессор Джонатан Ривней из Северо-Западного университета и его коллеги решили соединить эти два направления и создать имплантаты, которые будут под контролем электронных устройств включать и выключать производство необходимого пациенту препарата. Это и будет живой аптекой в теле человека.
И первые успехи уже достигнуты.
Необходимо все предусмотреть
С конца ХIХ века для лечения многих болезней используются биологические препараты, которые получают из живых организмов. Они представляют собой рынок высокого потребительского спроса. Его размер оценивается сегодня в 510 миллионов долларов, а к 2033 году он, по прогнозам, увеличится до 1,3 триллиона долларов.
Среди этих препаратов – инсулин, ряд гормональных средств, иммуноглобулины, иммунодепрессанты, моноклональные антитела и многие другие, предназначенные для лечения самых разных болезней, от мигрени до волчанки и рака.
В отличие от большинства химических препаратов произвести биологические довольно сложно и дорого. Они требуют гораздо больших затрат на синтез, стабилизацию, очистку, качество их может очень сильно разниться от производителя к производителю, а кроме того, эти препараты чрезвычайно дороги. Живые аптеки способны в перспективе решить эти проблемы.
Идя по пути создания такой революционной технологии, ученые должны решить ряд задач, и одна из них – придумать механизмы, которые бы могли включать и выключать секрецию препарата клетками, так как не всегда нужна постоянная и непрерывная подача такого лекарства, в некоторых случаях очень важен режим дозирования.
Прежде всего, однако, разработчики должны позаботиться о системе жизнеобеспечения клеточных трансплантатов.
«Клеточные терапии можно использовать для регенерации поврежденных тканей, для доставки препаратов, которые дополняют собственные механизмы заживления, открывая возможности для залечивания ран, лечения ожирения, диабета, рака – и это лишь несколько примеров. Производство кислорода на месте имплантата абсолютно критично для многих биогибридных клеточных терапий», – говорит Ривней.
Циркадные ритмы, но не только они
По заказу американского агентства DARPA команда начала работу над первой живой аптекой: она будет содержать клетки, контролирующие циркадные ритмы организма (циклы сна и бодрствования).
Исследователи работают над созданием имплантата, в котором клетки будут секретировать те самые вещества, которые в естественных условиях контролируют наши биологические часы, а включать работу этих клеток можно будет по необходимости: при изменении режима работы, при командировке в иной часовой пояс либо для лечения расстройств сна.
Такой имплантат будет помещен под кожу на руке, а своеобразный эластичный браслет, надеваемый на руку, будет при помощи беспроводной связи коммуницировать со специальным приложением смартфона, запуская которое, носитель имплантата может включать и выключать секрецию клеток.
Разработчики планируют поместить клеточный имплантат в специальную мембрану, которая будет биосовместимой с человеческим организмом и защитит клетки от атаки иммунной системы.
Важно, однако, поддерживать их жизнь внутри организма, для чего необходим дополнительный кислород.
Ученые разработали специальный контур, который производит кислород для поддержания жизни имплантированных клеток. Этот девайс при помощи электричества будет расщеплять воду, окружающую клетки, избегая при этом производства вредных отходов. Контролируя подачу электричества, ученые могут регулировать продукцию кислорода.
Некоторые технические подробности
Ученые использовали распыленный оксид иридия, хороший электрокатализатор, который уже успешно применялся в биохимии. В имплантате клетки уже находятся в жидкости, в состав которой входят вода, соли и питательные вещества. Оксид иридия при подаче тока низкого напряжения катализирует электрохимическую реакцию, используя воду, омывающую клетки. Электричество расщепляет воду на водород и кислород.
Ривней иллюстрирует этот принцип простым экспериментом, который многие ставили в детстве с обычной батарейкой: пропускали электрический ток через воду и наблюдали в ней пузырьки газа. «То же самое, по сути, делаем мы, только более изощренным способом», – говорит он. Использование определенных материалов позволяет расщеплять воду без пузырьков и подавать клеткам кислород, растворенный в воде.
В эксперименте «местный электрокаталитический оксигенатор» (так ученые назвали девайс), позволил 70–80% живых клеток в низкокислородной среде жить почти целый месяц. Контрольные же клетки, не снабженные оксигенатором, выживали не более 10 дней.
Как объясняет профессор Ривней, для достаточной продукции клеточными имплантатами определенного вещества (например, инсулина при диабете) требуется большое количество клеток, поэтому такие имплантаты нередко будут нуждаться в определенной помощи обменным процессам, и именно такие устройства-помощники и планируют создавать Ривней и его команда.
Эксперименты с оксигенатором проводились не только в пробирке, но и на живой модели, хотя ученые пока что не сообщают, с каким именно биологическим видом они работали.
Профессор Ривней и его коллеги планируют провести первые испытания своей живой аптеки под названием NTRAIN (Normalizing Timing of Rythms Across Internal Networks of Circadian Clocks) у человека в 2025 году.
В пределах досягаемости!
Возможно, кому-то покажется, что препарат, выработку которого обеспечит NTRAIN, сам по себе не является таким уж важным в контексте решения самых острых проблем медицины, ведь есть болезни, лечение которых спасет или хотя бы продлит человеческие жизни.
Такой эксперимент, однако, хорош тем, что как самим экспериментаторам, так и участникам исследования очень быстро станет понятно, работает живая аптека или нет. Сама же схема устройства в случае успеха может быть применена и для лечения жизнеугрожающих или инвалидизирующих болезней, которые сегодня лечат биопрепаратами.
Еще одна группа ученых в Клинике Майо (Аризона) уже начинает разрабатывать биогибридный имплантат для лечения синдрома воспаленного кишечника, включая болезнь Крона и язвенный колит. Ведущий автор разработки, биоинженер и ученый, доктор наук Александр Ревзин считает, что такая задача его команде вполне по плечу.
Уже сейчас для лечения аутоиммунных заболеваний используются моноклональные антитела, и следующим шагом будет переход к имплантации генетически модифицированных клеток, которые будут запрограммированы на производство этих антител. Со временем таким же образом можно будет помочь больным с ревматоидным артритом, псориазом и другими аутоиммунными болезнями.
Итак, на вопрос о том, находятся ли живые аптеки в пределах досягаемости, ответ – «Да!».
«Нет нужды носить с собой лекарства, и инъекции тоже не нужны, и мы надеемся, что продолжительность жизни нашего девайса позволит довольно долго не восполнять препарат», – говорит Ривней.
Это будет настоящая революция в системах здравоохранения, считает профессор, но возможной она станет лишь тогда, когда будет налажен такой процесс производства живых аптек, который позволит серьезно снизить их стоимость и сделать их доступными массовому потребителю.
Источники:
New device could keep implantable «living pharmacy» cells alive for months
Implantable ‘living pharmacy’ could control body’s sleep/wake cycles
Mayo Clinic secures ARPA-H award to build a living pharmacy within the body for inflammatory disease
Rice engineers set sights on implantable ‘living pharmacy’
Implantable Drug Factories: The Future of On-Demand Medication
«Living pharmacies» could mean you never forget to take your meds again
Коллажи Дмитрия ПЕТРОВА
