Рак является второй по важности причиной смерти от заболеваний на земном шаре, и весьма вероятно, что к 2030 году он выйдет по этому показателю на первое место. Сегодня 200 млн человек болеют этим смертоносным недугом, ежегодно от него умирают 8,2 млн землян. Миллиарды долларов, которые тратятся на изобретение чудо-пилюли против рака, к сожалению, до сих пор не принесли желаемого результата.
Среди исследовательских платформ, доступных сегодня научным институтам и фармакологическим компаниям, выделяется лаборатория на Международной космической станции. Поможет ли микрогравитация в решении проблем рака?
Как мы представляем себе ученых-биологов, занимающихся исследованиями злокачественных клеток? Первое, что приходит в голову — люди в лабораторных костюмах, которые сосредоточенно рассматривают образцы в микроскопы, биохимическое оборудование, культуры тканей на традиционных стеклянных пластинах… Вероятнее всего, наше воображение не связывает изучение проблем рака с бескрайними просторами холодного космоса и призрачным светом далеких звезд. Однако более полувека исследований микрогравитации все же дают основания этой когорте ученых взглянуть на проблему с высоты 400 км над поверхностью Земли с борта МКС. Космос предоставляет чрезвычайно благоприятные условия для изучения рака, равно как и ряда других заболеваний.
Неприрученная гравитация
Четыре фундаментальных взаимодействия определяют течение событий во Вселенной: слабое ядерное, сильное ядерное, электромагнитное и гравитационное. В процессе познания окружающего мира, многочисленных исследований, масштабных усилий по обузданию сил природы мы научились достаточно эффективно использовать три первых фундаментальных взаимодействия, в частности, освоив преобразование различных видов энергии и материи. Это обусловило прогресс человечества и его интенсивную экспансию в пределах доступного мира. Одной из идей, которой мы продолжаем грезить, является возможность использования гравитационного взаимодействия. Мы пока не научились генерировать силу гравитации или ослаблять ее влияние, что в нашем воображении часто ассоциируется с левитацией. Единственная возможность моделирования гравитации — удаление от массивных объектов или орбитальное движение вокруг источника гравитационного воздействия (происходящее во время полетов в космос).
История проведения биологических экспериментов в космосе
Использовать космос как лабораторную среду с уникальными физическими условиями человечество начало уже на заре своей космической одиссеи. Основные вехи:
- 1966—1969 Биосателлитная программа: серия из трех американских спутников, основным назначением которых было проведение фундаментальных биологических исследований. После завершения миссии США продолжили использовать эти сателлиты в кооперации с российской программой «Бион»;
- 1973—2013 «Бион»: советская и российская биосателлитная программа, сфокусированная на фундаментальной космической биологии и радиационных экспериментах на насекомых, растениях и животных;
- 1973—1974 программа Skylab: первая американская пилотируемая космическая станция, основная задача которой — физиологические и биомедицинские эксперименты по поддержанию длительного пребывания в космосе, а также исследования Земли и наблюдения Солнца;
- 1981—2011 программа Space Shuttle: пилотируемые полеты кораблей многоразового использования на низких околоземных орбитах. Использовались как транспорт для сервисных миссий (например, запуск телескопа Hubble, сборка МКС) и как платформа для биологических и физиологических исследований;
- 1986—2000 программа «Мир» (советская/российская орбитальная станция) использовала первый многомодульный космический комплекс, непрерывно принимавший экипажи на орбите. Сосредотачивалась на операциях с длительным пребыванием людей в космосе, физиологических и биологических исследованиях;
- 1993—2003 американская программа SpaceHab: надувной лабораторный модуль многоразового использования, доставлявшийся на орбиту космическими «челноками». Использовался для проведения биологических и физиологических экспериментов, а также как модуль для пребывания экипажа;
- 1994—1998 программа Shuttle-Mir (коллаборация США та РФ) имела целью осуществление операций по стыковке космических аппаратов, проводились также биологические и физиологические исследования;
- 1998—наше время: программа МКС — крупнейшая космическая станция в истории. Усилия направлены на исследования и развитие академических и коммерческих проектов, связанных с важными научными дисциплинами;
- 1999—наше время: программа «Шеньчжоу». Вначале использовала китайский пилотируемый корабль. Космическая лаборатория «Тяньгун» стала тестовой площадкой для многомодульной китайской орбитальной станции, создание которой уже идет.
Основные направления исследований в сфере онкологии в космосе
Одним из первых заданий биологических экспериментов в космосе были исследования, призванные определить степень негативного влияния внешних физических факторов (прежде всего радиации) на живые существа. Это было обусловлено необходимостью обеспечить защиту членов экипажей космических миссий во время длительных полетов, становившихся все более актуальными. Исследования проводились на разных биологических моделях — таких, как клеточные культуры, растения, подопытные животные, а также путем регистрации физиологических и биохимических параметров самих членов экипажей. Это направление не потеряло своей актуальности и сейчас. Правда, возросла сложность экспериментов, а с развертыванием на МКС высокотехнологичной научной лаборатории появились и новые возможности для проведения фундаментальных и прикладных исследований.
В процессе изучения возможных негативных физических факторов воздействия на биологические объекты в космосе выявлен ряд неизвестных ранее изменений в структуре и физиологии клеток и тканей, а также изменение путей передачи сигналов как внутри клеток, так и при межклеточном взаимодействии. Собственно, это приоткрыло завесу над определенными фундаментальными вопросами регуляции клеточного деления и экспрессии генов, а также возможности использования выявленных феноменов для решения важных прикладных задач. В частности, некоторые изменения в поведении клеток и многоклеточных систем оказались интересными для использования в лечении злокачественных новообразований. Например, изменения архитектуры клеток, особенностей их деления, активации участков генов, ответственных за регуляцию интенсивности, продолжительности клеточных делений, процессов программируемой смерти (так называемого апоптоза — механизма, являющегося базовым в обеспечении освобождения организма от «ненужных» клеток, а также в предотвращении их злокачественного роста).
Уникальные физические условия космоса не только позволили выявить особые состояния функционирования клеток и клеточных культур, но и сделали возможным синтез таких молекул и сочетаний химических соединений, которые трудно или невозможно было бы синтезировать в земных условиях. Некоторые из полученных сложных химических структур рассматриваются как перспективные лекарства против онкологических заболеваний, а некоторые из них уже утверждены как препараты или лекарственные формы, успешно применяемые в лечении и превосходящие по эффективности земных конкурентов.
Микрогравитация — аналог противоракового препарата?
Эксперименты с культурами злокачественных опухолей показали, что в условиях минимальной гравитации поведение клеток и их коопераций (тканевых и квазитканевых образований) кардинально меняется. Совершенно иным становится их взаимное расположение, процесс взаимодействия между ними в популяции. Меняется характер выделения цитокинов — специальных сигнальных молекул, выделяемых клетками для взаимодействия между собой и окружением. Таким путем они регулируют интенсивность размножения, свое взаимное расположение в пространстве, сообщают о наличии либо недостатке питательных веществ, заставляют соседние клетки «уступить место», продуцировать те или иные вещества. Короче говоря, создавать своеобразный социум со своим биохимическим сленгом, который в космосе отличается от «речи» на Земле. В условиях микрогравитации изменяется также экспрессия (состояние «включенности» или «выключенности») определенных генов и, как следствие, производство важных молекул, регулирующих поведение клеток в целом. Исследование ряда клеточных культур показало, что даже непродолжительное пребывание раковых клеток в условиях космоса приводит к их смерти — срабатывают механизмы самоуничтожения. Задача космической науки — выявить, как внеземная среда способствует появлению смертельных для таких клеток сигналов и научиться запускать эти процессы для лечения.
«Троянский конь» для раковых клеток
Одним из важных направлений активных исследований в разработке новых методов лечения онкологических заболеваний является создание лекарственных форм, которые хоть и используют уже существующие химические структуры, однако делают их более безопасными для организма и более «убийственными» для опухоли. Достичь этой цели позволяет, в частности, методика микрокапсул — микроскопических «баллончиков», имеющих внешнюю оболочку из биоразлагаемых элементов, способных распознавать свою цель (клетку опухоли), прикрепляться к ее поверхности и «впрыскивать» в нее свое содержимое — противоопухолевое средство. Такой себе «троянский конь», способный обойти многочисленные линии защиты раковых клеток, при прочих условиях достаточно эффективно защищающихся от воздействия химиотерапевтических или биологических агентов.
Тема резистентности опухоли очень важна для дальнейшего развития онкологии. Большинство неудач в лечении рака связано именно со способностью раковых клеток активно противодействовать многим противоопухолевым средствам. Для этого они используют весьма сложные и разнообразные системы защиты: создают дополнительные молекулярные защитные слои на поверхности клеточной мембраны, не дают проникать внутрь противоопухолевым агентам, активно формируют каналы сложной конфигурации, способные «выкачивать» наружу вредные средства, уже проникшие в клетку, инактивируют внутри себя цепи биохимических сигнальных систем, через которые реализуются эффекты противоопухолевых препаратов, быстро репарируют (восстанавливают) повреждения в структуре своих ДНК и РНК, возникающие благодаря противоопухолевым агентам, или же увеличивают количество участков молекул, ответственных за «злокачественность» клетки, уменьшая вероятность их адекватного повреждения — и таких механизмов у них еще много.
Создание микрокапсул с противоопухолевыми препаратами обходит несколько существующих механизмов защиты и позволяет доставить лекарственное средство прямо внутрь опухолевой клетки, обеспечивая большую концентрацию в целевой точке и уменьшая негативное влияние на здоровые клетки.
Эксперимент MEPS-II был проведен доктором Деннисом Моррисоном из Космического центра NASA имени Джонсона в рамках миссии на МКС в 2002 году. В результате исследований удалось определить оптимальные режимы создания микрокапсул, опробовать различные комбинации препаратов, но самое важное — полученные данные позволили повторить технологию в земных условиях. Так, американская компания NuVue Technologies Inc. при использовании препаратов, полученных методом микроинкапсуляции, при лечении рака простаты и легких достигла уменьшения размеров опухолей у 78% пациентов и полной регрессии опухоли в 30% случаев всего за 3 недели применения микрокапсул в дозах, которые в классических схемах могли бы дать результат лишь у 10-15% пациентов.
Опухоль «под прицелом»
Подобно тому, как системы автоматического наведения современных боевых ракет помогают им неуклонно держать курс на свою цель, современные противораковые средства (таргентные препараты) четко находят свою мишень — особые молекулы на поверхности мембраны раковой клетки. Именно высокая точность их «самонаведения» — залог удивительной эффективности этих препаратов в лечении опухолей, которые никак не удавалось одолеть другими средствами.
Препараты этого типа появились в начале века, однако их активное использование началось около семи лет назад. Существуют десятки лекарств этой группы, еще больше потенциальных молекул-кандидатов активно исследуются. И именно от скорости внедрения новых препаратов в практику зависит жизнь миллионов людей, ожидающих эффективного лечения. Именно здесь помощь может поступить из космических лабораторий: клеточные культуры опухолей, выращенные в условиях микрогравитации — практически идеальные модели для быстрого получения результатов испытаний новых лекарств.
Примером может быть исследование препарата, разработанного фирмой Angiex Inc., инвестором которой выступила компания Boeing при посредничестве MassChallenge Startup Accelerator. Вещество, исследовавшееся на 3D-клеточных моделях в лаборатории на МКС, относится к таргентным препаратам: мишенью для него являются не только раковые клетки, но и кровеносные сосуды, обеспечивающие их рост. Для своего развития почти все опухоли нуждаются в активном снабжении кровью, поэтому новый препарат может быть потенциально эффективным в 90% случаев заболевания. Эксперименты, проведенные в космосе, значительно сократили время тестирования препарата, а значит, приблизили выздоровление множества больных.
«Космические» роботы против рака
Космические исследования помогают в лечении онкологических заболеваний не только благодаря возможностям использования физических свойств космоса в качестве уникальной лаборатории. Технологические разработки, созданные специально для освоения околоземного пространства, со временем «перепрофилируются» для решения сугубо земных проблем, в том числе лечения рака. Так, по образцу космических роботов CanadArm, CanadArm2 и Dexter, созданных Канадским космическим агентством для выполнения задач на МКС, был разработан хирургический робот-ассистент NeuroArm. Этот высокотехнологичный инструмент уже используется для операций по удалению опухолей головного мозга в госпитале Calgary’s Foothills. Его особенностью является то, что «рука» робота изготовлена из материалов, прозрачных для рентгеновских лучей и магнитных полей, а следовательно, операция может происходить под контролем магнитно-резонансного томографа в реальном времени. Это невероятно эффективный помощник для хирургов.
К звездам — без риска
Как бы иронично это не звучало, космос, помогающий разрабатывать лекарства от рака, сам по себе является значительным фактором риска развития онкологических заболеваний для членов экипажей космических миссий. Согласно данным Scientific American, NASA установила, что среди астронавтов риск заболеть раком на 3% выше, чем у рядового жителя Земли. Расчеты, проведенные группой ученых Невадского университета в Лас-Вегасе, показали, что для участников экспедиции на Марс этот риск удвоится. Это связано со значительным уровнем радиационной нагрузки, вызванной космическим излучением (протонное излучение вызывает серьезные повреждения ДНК). Исследователи обнаружили также большое количество хромосомных аберраций у членов экипажей МКС после завершения полета. Поэтому сейчас большое внимание уделяется созданию систем защиты астронавтов от вредного излучения. Лишь достигнув приемлемого уровня безопасности, мы сможем покорять другие планеты.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
