Научные проблемы

Химик Валерий Фокин о новой химии, будущем лекарственных препаратов и перспективах исследований на стыке химии, биологии и медицины

В новом проекте ScienceHub главный редактор проекта ПостНаука Ивар Максутов беседует с учеными в их лабораториях о новых технологиях, перспективах исследований и новых профессиях, которые появятся благодаря научным открытиям.

ПостНаука побывала в лаборатории химического синтеза и катализа МФТИ Валерия Фокина, чтобы подробнее разобраться том, что такое клик-химия, как ее будут применять в будущем и какие специалисты будут востребованы в контексте новой химии.

Клик-химия — это такой универсальный молекулярный конструктор для быстрой сборки молекул, надежный, который работает всегда и благодаря которому можно как из кубиков «Лего» построить молекулы, какие хочешь, а сама сборка всегда произойдет гарантировано хорошо. Понятие клик-химия было введено в 1997 году, первая публикация на эту тему появилась в 2000–2001 годах и как раз определяла набор реакций, которые попадали в категорию клик-химии. То есть идея должна была быть, что A+B дает C и ничего больше. И работает это всегда и в любых условиях.

Основная идея клик-химии в том, что если мы представим, что у нас есть два реагента, то реакция пройдет всегда и везде. Соответственно, получится необратимая связь, застежка, которая и позволит нам соединить 2 реакционноспособных блока, две молекулы во что-то одно. И связь эта необратимая.

В будущем самое интересное будет происходить в неожиданных и прикладных внедрениях этой химии. Необязательно в промышленности, а в новых областях, которые мы сейчас даже четко не представляем. Скорее всего, новые специалисты будут теми людьми, которые хорошо представляют себе, для чего нужны новые материалы, для чего нужны диагностические соединения, то есть какие заболевания каким образом можно диагностировать, каким образом их можно лечить, используя именно различные варианты молекул химического синтеза. То есть они сами будут не синтетическими органическими химиками, но будут знать, для чего они хотят получить что-то новое, какие соединения они хотят получить, чтобы решить их конкретную задачу. Клик-химию можно рассматривать как инструмент: если они будут знать, что в принципе у них есть инструмент, который позволяет сшивать молекулы или помечать их каким-то образом, то, соответственно, они будут использовать их в своих целях. То есть клик-химики будут развивать и искать те кирпичики и блоки, из которых будет собираться новый препарат. И эта область, по прогнозам Валерия, будет и коммерчески успешна.

Методологии клик-химии будут использоваться больше именно в развитии и поиске тех строительных кирпичиков и блоков, из которых будет собираться препарат. Ее запросто можно будет использовать, безусловно, в типировании заболеваний, потому что это инструмент, который позволяет помечать селективно биологические молекулы и определять, что они делают. Я могу представить, что это может быть использовано фармацевтами на последнем этапе для сборки самого лекарства; безусловно, это большой шаг вперед. Использовать методологии клик-химии будут и медицинские химики для поиска препаратов и сами фармацевты, и во взаимодействии с врачами, которые непосредственно имеют дело с пациентами.

Источник: http://postnauka.ru/tv/19238

Физик Александр Львовский о создании квантового повторителя, безопасной передаче информации и коммерциализации квантовых разработок

В новом проекте ScienceHub главный редактор проекта ПостНаука Ивар Максутов беседует с учеными в их лабораториях о новых технологиях, перспективах исследований и новых профессиях, которые появятся благодаря научным открытиям.

В первом выпуске ПостНаука заглянула в лабораторию квантовой оптики физика Александра Львовского в Российском квантовом центре, чтобы подробнее разобраться в перспективах квантовых технологий в целом и квантовой криптографии в частности.

Квантовые технологии люди определяют по-разному. Я определяю как способность управлять сложными квантовыми системами на основе их индивидуальных компонентов. Я могу привести пример того, что не является квантовой технологией: как правило, говорят, что квантовая технология — это технология, основанная на квантовой физике. Я считаю это определение не совсем правильным потому, что транзистор, например, полностью основан на квантовой физике. Если бы не было квантовой физики, то не было бы транзистора и всей полупроводниковой электроники, на которой основана вся наша жизнь. Тем не менее, транзистор не является квантовой технологией потому, что мы же не умеем управлять отдельными электронами в транзисторе.

Современное постиндустриальное общество основано на безопасности информации. Информация является основой существования общества, и именно поэтому у нас сейчас такие информационные скандалы: WikiLeaks, потом Сноуден. Безопасность информации очень важна для нормального существования общества. Любые нарушения этой безопасности начинают лихорадить общество, чем мы будем идти дальше, тем важнее будет обеспечение информации. Таким образом, становится все более важным передавать информацию на расстоянии. При передаче информации на далекое расстояние она как раз наиболее уязвима, и здесь квантовые технологии становятся полезными, потому что как безопасным образом можно передать информацию на расстоянии? Используется криптография. Что такое криптография? Когда есть некий секретный код, передающий и принимающий партнер, у них есть общий, известный только им, код, и один из партнеров кодирует сообщение с помощью этого кода, потом передается закодированное сообщение и раскодируется с помощью копий того же самого кода.

Рынок квантовых технологий пока невелик, я говорил пока лишь об одной технологии, а именно о квантовых линиях связи. Вряд ли на поддержку новой техники потребуется знание квантовой физики, надеюсь, она будет самодостаточна. В перспективе квантовых технологий будет гораздо больше: это и сверхточные часы, и сверхточные датчики, и новые перспективы в материаловедении, и в создании новых материалов, и те же самые квантовые компьютеры. Как я сказал, что когда мы пересечем эту границу, когда технология пересечет границу между классическим и квантовым миром, то произойдет «бум» квантовых технологий, произойдет резкое развитие, в том числе и рынка. Но сейчас практически единственная квантовая технология, которая имеет коммерческое применение, — это именно квантовые линии связи.

Источник: http://postnauka.ru/tv/18937

Химик Валентин Ненайденко о таблетке памяти, комбинаторной химии и роли коротких пептидов в нашей жизни

В проекте ScienceHub ученые в своих лабораториях рассказывают о текущих исследованиях, новых технологиях и перспективных направлениях развития науки. В этом выпуске мы побеседовали с заведующим кафедрой органической химии МГУ им. М. В. Ломоносова, доктором химических наук Валентином Ненайденко о роли коротких пептидов в организме человека, альтернативных методах синтеза лекарств и сотрудничестве лабораторий с фармацевтическими компаниями.

Чем интересны изоцианиды? Это молекулы, которые могут работать как скрепляющие узлы, и главное и наиболее интересное направление в химии изоцианидов — это использование их в многокомпонентных реакциях. Можно смешать сразу несколько простых компонентов в одной колбе и получить достаточно сложные молекулы. Например, ценнейшим направлением в химии изоцианидов является получение пептидных соединений на основе реакции Уги. Реакция Уги — это уже классическая четырехкомпонентная реакция, которая была открыта в конце 50-х — начале 60-х годов Иваром Уги и носит его имя. Ивар Уги — классик и пионер в этой химии, и он впервые показал, что, смешав четыре простых компонента: карбоновую кислоту, изонитрил, амин и карбонильное соединение, — можно в одну стадию получить фрагменты пептидов.

Короткие пептиды встречаются в нашей жизни, в природе очень часто. Можно упомянуть такие молекулы, как глутатион. Это очень простая молекула, которая состоит из трех аминокислотных остатков: глутаминовой кислоты, цистеина и глицина. Но эта простая молекула выполняет чрезвычайно важные жизненные функции: она удаляет токсичные вещества из нашего организма, регулирует окислительно-восстановительные процессы, она позволяет омолаживать организм и в конечном итоге глутатион — это молекула, которая влияет на продолжительность жизни.

Так называемый трипептид RER играет ключевую роль в процессах запоминания информации, процессах формирования памяти. Используя химию изоцианидов, мы синтезировали неприродные аналоги трипептида RER, которые по своему геометрическому строению и электронным характеристикам похожи на природную молекулу. Короткие пептиды могли бы быть идеальными лекарствами, однако препарат, построенный на основе альфа-аминокислот, очень быстро расщепляется в нашем организме, и это не позволяет в должной степени контролировать терапевтические эффекты. Поэтому мы использовали молекулу, похожую на природный трипептид, но имеющую остатки синтетических аминокислот. Оказалось, что эти молекулы работают, и в настоящее время соединение-лидер проходит клинические испытания. Мы изучаем это вещество как возможную таблетку памяти. Использование такой таблетки памяти позволяет увеличить время хранения информации.

Источник: http://postnauka.ru/tv/36937

Биолог Сергей Киселев об ограничениях химиотерапии, противоопухолевых вакцинах и генно-терапевтических препаратах

В чем состоят ограничения химио- и радиотерапии? На чем основаны современные методы биотерапии рака? Какие перспективные разработки ведутся в США и Китае? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Сергей Киселев.

Сегодня одной из самых неотвратимых болезней, с которой человечество очень долго пытается бороться, является рак, онкология. Бороться пытается достаточно эффективно: за последние 3–4 десятка лет эффективность борьбы возросла так, что излечиваемость повысилась на 20%. Но население стареет, поэтому встречаемость заболевания возросла. Мы, конечно же, развили методы хирургии — это первые линии защиты: лучше всего вырезать опухоль и забыть о ней. Но остается что-то невидимое, и врач не до всего может достать. Поэтому появились другие методы, такие как химиотерапия, радиотерапия, когда мы, даже не видя, можем воздействовать на опухолевые клетки.

Опухолевые клетки, с одной стороны, являются нашими родными клетками — они возникают у нас в организме. С другой стороны, они наносят нам вред. Каким-то образом надо отличить свои и чужие, опухолевые клетки и нормальные. Действие, на котором основывается, например, химиотерапия, радиотерапия, — это то, что опухолевые клетки делятся быстрее, чем нормальные клетки. Поэтому с помощью методов химиотерапии либо радиотерапии удается убрать эти опухолевые клетки. Но, увы, клетки, например, крови, иммунной системы, клетки кожи, волос тоже делятся быстро, поэтому и химио-, и радиотерапия воздействуют на эти клетки тоже, тем самым нанося вред и нормальным клеткам организма. Поэтому приходится делать перерывы в химиотерапии и радиотерапии, а опухоль тем временем прогрессирует.

Поэтому усилия ученых были направлены на то, чтобы разработать какие-то новые дополнительные методы терапии, чтобы в интервалах между химио- и радиотерапией можно было еще чем-то лечить. Как раз этим стала биотерапия опухоли. Она основывается на том, что на современном уровне знания возможно распознать свое либо чужое-либо это опухолевая клетка, либо чужая. Конечно, это еще не совершенная техника, особенно по использованию противоопухолевых вакцин, которые являются, наверное, основным средством биотерапии рака. Один известный американский ученый в начале XX века произнес такую фразу, что иммунизировать против опухоли будет так же сложно, как пытаться с помощью вакцины отторгнуть левое ухо, оставив правое интактным, то есть нетронутым, потому что это свое.

На чем основаны современные методы биотерапии рака? В первую очередь это специфические антитела, связывающиеся со специфическими опухолевыми молекулами, которые характерны только для опухолей, и эти антитела блокируют рост опухолевых клеток. Это используется достаточно активно. Например, уже десяток лет существует такое противоопухолевое средство, как Герцептин — это рекомбинантное антитело, которое направлено на лечение рака молочной железы. Действует достаточно эффективно. Появилось достаточно большое количество аналогов или сходных по действию антител. Сегодня панель антител — полтора десятка специфических лекарств, направленных и против рака простаты, и против опухолей, связанных с заболеваниями крови, молочной железы и так далее. Достаточно хороший спектр антител, и это биотерапия рака.

Существует метод, о котором мы уже упомянули, — это противоопухолевая вакцина. Мы привыкли, что вакцина — это средство профилактики, предотвращения. Но мы не знаем, когда опухоль возникла. Она возникла, и только после этого нам надо лечить опухоль. Соответственно, мы сталкиваемся немного с другой ситуацией, не с профилактической вакциной, а с терапевтической вакциной. Когда мы очень четко должны разделить свое, нормальную ткань, и чужое. Это очень сложно сделать.

Чужое, опухолевое, зачастую низкоиммуногенно, то есть иммунный ответ на это чужое очень слабый.

Если на микроорганизм, на вирус, который проникает в нас, у нас поднимается температура, развивается воспалительная реакция (мы привыкли к этому, наша иммунная система привыкла к тому, что против этого возникает иммунный ответ), то опухоль развивается изнутри. Соответственно, она развивается незаметно и приучает организм к тому, что она своя, но тем не менее она чужая. Поэтому важно найти специфические опухолевые антигены, которые отличают ее от нормы, и сделать противоопухолевую вакцину, направленную именно против этих антигенов.

Существует целый ряд противоопухолевых вакцин, которые находятся на разных стадиях клинических испытаний, разработки и даже применения. В конце 90-х годов XX — в начале XXI века в Москве существовала большая программа, которую финансировал Юрий Михайлович Лужков, направленная как раз на лечение опухолей. В рамках этой программы достаточно успешно разрабатывался целый ряд российских противоопухолевых вакцин. Это были и специфические вакцины на основе генетически модифицированных клеток, и так называемые дендритные вакцины. Это был большой комплекс мер, направленных на биотерапию рака.

Эффективность действия этих вещей, честно сказать, не очень высока, потому что это не профилактика, а терапия. Но даже небольшое время, которое получает пациент между сеансами химиотерапии — при этом его опухоль не растет, — является колоссальным преимуществом. Мы выигрываем время для применения другого лекарства. Плюс мы воздействуем на те опухолевые клетки, которые даже для химиопрепаратов могут быть незаметны либо недоступны. Поэтому сегодня биотерапия рака считается очень перспективным методом, и большое количество разработок за рубежом и у нас, в России, направлено на то, чтобы сделать более совершенные методы.

В 2012 году в Соединенных Штатах была одобрена к использованию — уже коммерчески одобрена, как препарат, продающийся в аптеке, — противоопухолевая вакцина, основанная на дендритных клетках, направленных против рака простаты. На самом деле на небольшой группе пациентов, которые имеют только рак простаты, которым не помогают другие лекарственные средства, эта вакцина показывала очень хорошие результаты. Увеличение продолжительности жизни было 70% и более. Это очень значительные цифры.

В Китайской Народной Республике в начале XXI века, в самые первые годы, были одобрены целых два генно-терапевтических препарата. Это тоже биотерапия, поскольку используют гены, направленные на лечение рака и основанные на действии такого известного гена p53. Оба препарата базировались на использовании знаний о работе этого гена, хотя были основаны на немного разных принципах. Очень хорошую эффективность показывают эти генно-терапевтические препараты, биопрепараты при лечении определенных онкологических заболеваний, — например, совместное применение химиотерапии и генно-терапевтического препарата при лечении рака головы и шеи дает увеличение продолжительности жизни примерно на 70%.

Особенно активно методы биотерапии рака стали развиваться где-то со второй половины 90-х годов XX века. И сначала казалось, что какой-то один метод будет самый хороший, антитела будут самые хорошие либо какие-то противоопухолевые вакцины на основе дендритных клеток. Как много о них говорили! Это будет панацея! Оказывается, нет. Оказывается, биология человека и иммунная система достаточно сложны. Поэтому сегодня развитие идет в плане комбинирования методов биотерапии или даже сочетания методов биотерапии с другими видами терапии. Я только что упомянул, что в Китае эффективно используется генно-терапевтический препарат совместно с химиотерапевтическим препаратом. И это очень хорошая комбинация, которая эффективно помогает. Используются комбинации различных методов биотерапии.

Сегодняшний прогресс в биологии позволил определить очень тонкие мишени для такого таргетного, или мишенного, воздействия. То есть надо воздействовать точечно, в самую точку бить. Я бы сказал, что это тоже биотерапевтические методы, потому что они воздействуют прицельно на одну какую-то молекулу, хотя воздействие оказывается с помощью какой-то малой химической молекулы.

Вследствие того, что она воздействует на конкретную биологическую молекулу, она блокирует ее и прекращает рост опухоли.

Немного другое уже пошло развитие химиотерапии плюс биотерапии, когда мы узнали новые биологические вещи об организме, поняли, каким образом они участвуют в опухолевой прогрессии, поняли, каким образом мы направленно можем их заблокировать, и под это подобрали уже химическую молекулу. Тут уже возникает синтез биотерапии, потому что это очень точечно направлено на биологическую основу, и современной химии, кристаллографии и так далее, очень большого спектра вещей, но они основываются на биологии.

Сегодня большое количество методов биотерапии находится на стадии клинических испытаний, причем на третьей стадии, на завершающей стадии клинических испытаний. Вполне вероятно, что в случае онкологии многие из них и останутся на третьей стадии клинических испытаний, потому что у каждого из нас опухолевый процесс идет по-своему, уникальным образом, и подобрать какое-то универсальное вещество будет очень сложно.

В редких случаях будет какое-то универсальное для всех лекарство. Скорее всего, оно будет подбираться индивидуально в плане некой технологии. То есть биотерапия в любом случае будет принципиально отличаться от существующих методов терапии рака, потому что она будет учитывать индивидуальные, персональные особенности организма, тем самым переводя общую медицину на то, к чему она идет, — на индивидуальное, персонализированное лечение, в том числе и профилактическое.

Источник: http://postnauka.ru/video/44739