Рак є другою за вагомістю причиною смерті від захворювань на земній кулі, й вірогідно, до 2030 року вийде за цим показником на перше місце. Сьогодні 200 млн осіб хворіють на цю смертоносну недугу, щороку від неї помирають 8,2 млн землян. Мільярди доларів, які витрачають на винайдення диво-пігулки проти раку, на жаль, досі не принесли бажаного результату.
Серед дослідницьких платформ, які сьогодні доступні науковим інститутам і фармакологічним компаніям, вирізняється лабораторія на Міжнародній космічній станції. Чи допоможе мікрогравітація у вирішенні проблем раку?
Як ми уявляємо собі вчених-біологів, котрі займаються дослідженням злоякісних клітин? Найперше, що спадає на думку — люди в лабораторних костюмах, які зосереджено розглядають зразки у мікроскопи, біохімічне приладдя, культури тканин на традиційних скляних пластинах… Напевне, наша уява не пов’язує вивчення проблем раку з безмежними просторами холодного космосу та примарним світлом далеких зірок. Та більш ніж пів століття досліджень мікрогравітації все ж дають підстави цій когорті вчених поглянути на проблему з висоти 400 км над поверхнею Землі, з борту МКС. Космос надає надзвичайно сприятливі умови для вивчення раку, як і низки інших захворювань.
Неприборкана гравітація
Чотири фундаментальні взаємодії визначають плин подій у Всесвіті: слабкі ядерні, сильні ядерні, електромагнітні та гравітаційні. У процесі пізнання навколишнього світу, численних досліджень, масштабних зусиль для приборкання сил природи ми навчилися досить ефективно використовувати три перших фундаментальних взаємодії, як-от перетворення різних видів енергії та матерії. Це зумовило прогрес людства та його інтенсивну експансію в межах доступного світу. Однією з ідей, якою ми продовжуємо марити, є можливість використання гравітаційної взаємодії. Ми поки не навчились генерувати силу гравітації чи ослаблювати її вплив, що в нашій уяві часто асоціюється з левітацією. Єдина можливість моделювання гравітації — віддалення від масивних об’єктів чи орбітальний рух навколо джерела гравітаційного впливу (те, що відбувається під час польотів у космос).
Історія проведення біологічних експериментів у космосі
Використовувати космос як лабораторне середовище з унікальними фізичними умовами людство розпочало вже на зорі своєї космічної одіссеї. Основні віхи:
- 1966—1969 Біосателітна програма: серія з трьох американських супутників, основним призначенням яких було проведення фундаментальних біологічних досліджень. Після завершення місії США продовжили використовувати ці сателіти в кооперації з російською програмою «Біон»;
- 1973—2013 «Біон»: радянська та російська біосателітна програма, сфокусована на фундаментальній космічній біології та радіаційних експериментах на комахах, рослинах і тваринах;
- 1973—1974 програма Skylab: перша американська пілотована космічна станція, основне завдання якої — фізіологічні та біомедичні експерименти з підтримки тривалого перебування в космосі, а також дослідження Землі та спостереження Сонця;
- 1981—2011 програма Space Shuttle: пілотовані польоти кораблів багаторазового використання на низьких навколоземних орбітах. Використовувались як транспорт для обслуговуючих місій (наприклад, запуск телескопа Hubble, конструювання МКС) та як платформа для біологічних і фізіологічних досліджень;
- 1986—2000 програма «Мир» (радянська/російська орбітальна станція) використовувала перший багатомодульний космічний комплекс, що безперервно приймав екіпажі на орбіті. Зосереджувалась на операціях із довготривалим перебуванням людей у космосі, фізіологічних і біологічних дослідженнях;
- 1993—2003 американська програма SpaceHab: надувний лабораторний модуль багаторазового використання, що доставлявся на орбіту космічними «човниками». Використовувався для проведення біологічних і фізіологічних експериментів, а також як модуль для перебування екіпажу;
- 1994—1998 програма Shuttle-Mir (колаборація США та РФ) мала за мету здійснення операцій зі стикування космічних апаратів, проводились також біологічні та фізіологічні дослідження;
- 1998—наш час: програма МКС — найбільша космічна станція в історії. Зусилля спрямовані на дослідження та розвиток академічних і комерційних проєктів, що пов’язані з важливими науковими дисциплінами;
- 1999—наш час: програма «Шеньчжоу». Спочатку використовувала китайський пілотований корабель. Космічна лабораторія «Тяньгун» стала тестовим майданчиком для багатомодульної китайської орбітальної станції, створення якої вже триває.
Основні напрями дослідження у сфері онкології в космосі
Одним із перших завдань біологічних експериментів у космосі були дослідження, покликані визначити ступінь негативного впливу зовнішніх фізичних чинників (передусім радіації) на живі істоти. Це було зумовлено необхідністю забезпечити захист членів екіпажів космічних місій під час тривалих польотів, що ставали все більш актуальними. Дослідження проводилися на різних біологічних моделях — таких, як клітинні культури, рослини, піддослідні тварини, а також шляхом реєстрації фізіологічних і біохімічних параметрів самих членів екіпажів. Цей напрям не втратив своєї актуальності й нині. Щоправда, зросла складність експериментів, а з розгортанням на МКС високотехнологічної наукової лабораторії з’явилися й нові можливості для проведення фундаментальних і прикладних досліджень.
У процесі вивчення можливих негативних фізичних факторів впливу на біологічні об’єкти в космосі виявлено низку невідомих до цього змін у структурі та фізіології клітин і тканин, а також зміну шляхів передачі сигналів як усередині клітин, так і при міжклітинній взаємодії. Власне, це відкрило завісу над певними фундаментальними питаннями регуляції клітинного поділу й експресії генів, можливості використання виявлених феноменів для розв’язання важливих прикладних задач. Зокрема, деякі зміни у поведінці клітин і багатоклітинних систем виявились цікавими для використання в лікуванні злоякісних новоутворень. Наприклад, зміни архітектури клітин, особливості їхнього поділу, активації ділянок генів, відповідальних за регуляцію інтенсивності, тривалості клітинних поділів, процесів програмованої смерті (так званого апоптозу — механізму, що є базовим у забезпеченні звільнення організму від «непотрібних» клітин, а також у запобіганні їх злоякісного росту).
Унікальні фізичні умови космосу не лише дали змогу виявити особливі стани функціонування клітин і клітинних культур, а й уможливили синтез таких молекул і поєднань хімічних сполук, які важко чи неможливо було би синтезувати в земних умовах. Деякі з отриманих складних хімічних структур розглядаються як перспективні ліки проти онкологічних захворювань, а окремі з них уже затверджені як препарати чи лікарські форми, що успішно застосовуються у лікуванні та перевищують за ефективністю земних конкурентів.
Мікрогравітація — аналог протиракового препарату?
Експерименти з культурами злоякісних пухлин показали, що за умов мінімальної гравітації поведінка клітин і їхніх кооперацій (тканинних і квазітканинних утворень) кардинально змінюється. Зовсім іншим стає їхнє взаємне розташування, процес взаємодії між ними у популяції. Змінюється характер виділення цитокінів — спеціальних сигнальних молекул, які виділяються клітинами для взаємодії між собою та оточенням. Таким чином вони регулюють інтенсивність розмноження, своє взаємне розташування у просторі, повідомляють про наявність або нестачу поживних речовин, примушують сусідні клітини «поступитися місцем», продукувати ті чи інші речовини. Коротше кажучи — створювати своєрідний соціум зі своїм біохімічним сленгом, який у космосі різниться від «прамови» на Землі. В умовах мікрогравітації змінюється також експресія (стан «включеності» чи «виключеності») певних генів і, як наслідок — продукування важливих молекул, що регулюють поведінку клітин у цілому. Дослідження низки клітинних культур показало, що навіть нетривале перебування ракових клітин в умовах космосу призводить до їхньої смерті — спрацьовують механізми самознищення. Завдання космічної науки — виявити, як позаземне середовище сприяє появі смертельних для таких клітин сигналів, та навчитися запускати ці процеси для лікування.
«Троянський кінь» для ракових клітин
Одним із важливих напрямів активних досліджень у розробленні нових методів лікування онкологічних захворювань є створення лікарських форм, які хоч і використовують уже існуючі хімічні структури, проте роблять їх безпечнішими для організму і більш «вбивчими» для пухлини. Досягти цієї мети дозволяє, зокрема, методика мікрокапсул — мікроскопічних «балончиків», що мають зовнішню оболонку з біодеградуючих елементів, які здатні розпізнавати свою ціль (клітину пухлини), прикріплюватися до її поверхні та «впорскувати» всередину неї свій вміст — протипухлинний засіб. Такий собі «троянський кінь», здатний обійти численні лінії захисту ракових клітин, котрі за інших умов досить ефективно захищаються від впливу хіміотерапевтичних або біологічних агентів.
Тема резистентності пухлини дуже важлива для подальшого розвитку онкології. Більшість невдач у лікуванні раку пов’язана саме зі здатністю ракових клітин активно протидіяти багатьом протипухлинним засобам. Для цього вони використовують вельми складні та різноманітні системи захисту: створюють додаткові молекулярні захисні шари на поверхні клітинної мембрани, що не дають проникати всередину протипухлинним агентам, активно формують канали складної конфігурації, здатні «викачувати» назовні шкідливі засоби, які вже проникли у клітину, й активні ферментативні системи, що хімічно руйнують протипухлинні препарати, інактивують всередині себе деякі ланцюги біохімічних сигнальних систем, через які реалізуються ефекти протипухлинних препаратів, швидко репарують (відновлюють) пошкодження у структурі своїх ДНК та РНК, що виникають завдяки протипухлинним агентам, або ж збільшують кількість ділянок молекул, відповідальних за «злоякісність» клітини, зменшуючи вірогідність їх адекватного ушкодження — і таких механізмів вони мають ще багато.
Створення мікрокапсул із протипухлинними препаратами обходить кілька існуючих механізмів захисту й дозволяє доставити лікарський засіб прямо всередину пухлинної клітини, забезпечуючи велику концентрацію в цільовій точці та зменшуючи негативний вплив на здорові клітини.
Експеримент MEPS-II був проведений доктором Деннісом Моррісоном з Космічного центру NASA імені Джонсона у межах місії на МКС у 2002 році. В результаті досліджень вдалося визначити оптимальні режими створення мікрокапсул, випробувати різні комбінації препаратів, але найважливіше — отримані дані дали змогу повторити технологію в земних умовах. Так, американська фірма NuVue Technologies Inc. під час використання препаратів, отриманих методом мікроінкапсуляції, при лікуванні раку простати та легень досягла зменшення розмірів пухлин у 78% пацієнтів і повної регресії пухлини в 30% випадків усього за 3 тижні застосування мікрокапсул у дозах, які в класичних схемах могли би дати результат лише у 10-15% пацієнтів.
Пухлина «під прицілом»
Подібно до того, як системи автоматичного наведення сучасних бойових ракет допомагають їм неухильно тримати курс на свою ціль, так і сучасні протиракові засоби (таргентні препарати) чітко знаходять свою мішень — особливі молекули на поверхні мембрани ракової клітини. Саме висока точність їх «самонаведення» — запорука дивовижної ефективності цих препаратів у лікуванні пухлин, які жодним чином не вдавалося подолати іншими засобами.
Препарати цього типу з’явилися на початку століття, проте їх активне використання розпочалося близько семи років тому. Існують десятки ліків цієї групи, ще більше потенційних молекул-кандидатів активно досліджують. І саме від швидкості впровадження нових препаратів у практику залежить життя мільйонів людей, що очікують на ефективне лікування. Саме тут допомога може надійти з космічних лабораторій: клітинні культури пухлин, вирощені в умовах мікрогравітації — практично ідеальні моделі для швидкого отримання результатів випробування нових ліків.
Прикладом може бути дослідження препарату, розробленого фірмою Angiex Inc., інвестором якої виступила компанія Boeing за посередництва MassChallenge Startup Accelerator. Речовина, що досліджувалася на 3D-клітинних моделях у лабораторії на МКС, належить до таргентних препаратів: мішенню для неї є не лише ракові клітини, але й кровоносні судини, що забезпечують їх ріст. Для свого розвитку майже всі пухлини потребують активного постачання крові, а тому новий препарат може бути потенційно ефективним у 90% випадків захворювання. Експерименти, проведені в космосі, значно скоротили час тестування препарату, а значить, наблизили одужання багатьох хворих.
«Космічні» роботи проти раку
Космічні дослідження допомагають у лікуванні онкологічних захворювань не лише завдяки можливостям використання фізичних властивостей космосу як унікальної лабораторії. Технологічні розробки, створені спеціально для освоєння навколоземного простору, з часом «перепрофільовуються» для вирішення суто земних проблем, зокрема й лікування раку. Так, за зразком космічних роботів CanadArm, CanadArm2 та Dexter, створених Канадським космічним агентством для виконання завдань на МКС, був розроблений хірургічний робот-асистент NeuroArm. Цей високотехнологічний інструмент уже використовується для операцій із видалення пухлин головного мозку в госпіталі Calgary’s Foothills. Його особливістю є те, що «рука» робота виготовлена з матеріалів, прозорих для рентгенівських променів і магнітних полів, а отже, операція може відбуватися під контролем магнітно-резонансного томографа в реальному часі. Це неймовірно ефективний помічник для хірургів.
До зірок — без ризику
Хоч як би це іронічно не звучало, космос, що допомагає розробляти ліки проти раку, сам по собі є значним фактором ризику розвитку онкологічних захворювань для членів екіпажів космічних місій. Відповідно до даних Scientific American, NASA встановила, що серед астронавтів ризик захворіти на рак на 3% вищий, ніж у пересічного мешканця Землі. Розрахунки, проведені групою вчених Невадського університету в Лас-Вегасі, показали, що для учасників експедиції на Марс цей ризик подвоїться. Це пов’язано зі значним рівнем радіаційного навантаження, спричиненого космічним випромінюванням (протонне випромінювання викликає серйозні пошкодження ДНК). Дослідники виявили також велику кількість хромосомних аберацій у членів екіпажів МКС після завершення польоту. Тому зараз велика увага приділяється створенню систем захисту астронавтів від шкідливого випромінювання. Лише досягнувши прийнятного рівня безпеки, ми зможемо підкорювати інші планети.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
