В 2016 году международная премия RUSNANOPRIZE вручалась по направлению «Медицина, фармакология и биотехнологии». В числе десяти почетных экспертов премии были представители отечественной и зарубежной науки и бизнес-индустрии, что является принципиальным для премии RUSNANOPRIZE, так как премия вручается и учёному-изобретателю, и венчурному предприятию – компании с успешной историей на рынке высокотехнологичной продукции, сумевшей воплотить конкретную научную разработку в жизнь, создав коммерческий продукт.
Сразу после торжественной церемонии награждения RUSNANOPRIZE 2016 нам удалось взять интервью у лауреата - профессора Чада Миркина (Prof. Chad A. Mirkin) - изобретателя "сферических нуклеиновых кислот", плотноупакованных или строго ориентированных нуклеиновых кислот, расположенных на поверхности сферических наночастиц. Награждена также компания профессора Миркина Nanosphere, которая коммерциализировала эти разработки, применив их в новейших диагностических системах.
Что Вы чувствуете, профессор? Рады ли Вы премии, понравилась ли церемония?
Я очень счастлив получить такую высокую награду как премия RUSNANOPRIZE и рад, что наши научные достижения в области нанотехнологий интересны далеко за пределами Соединенных Штатов и востребованы, в частности, в России. И сама церемония великолепна, сделана на очень высоком профессиональном уровне.
Премию получила и компания Nanosphere – Ваше детище. Расскажите про нее и про коммерциализированный продукт.
Компания называется Nanosphere, что значит "очень маленький шарик". А система медицинской диагностики, которая основана на нашей разработке – сферических нуклеиновых кислотах, – называется Verigene®.
Чтобы создать такие наночастицы, надо сначала получить малюсенькие частицы золота, которые могут быть синтезированы, в принципе, легко в химической лаборатории. Далее подбираются определенные последовательности цепочек ДНК, которыми мы сможем химически декорировать поверхность наночастиц примерно вот таким образом (достает из кармана салатовый силиконовый мяч-ежик, являющийся отличной моделью сферической частицы, модифицированной нуклеиновыми кислотами). В случае технологии Verigene® эти сферические частицы, выступают в роли меток или маркеров заболеваний. Например, у нас есть чип, модифицированный большим числом разновидностей ДНК, и есть анализируемый образец, например, моча или кровь пациента, содержащие патогенны, скажем, вирусы или бактерии. У каждой бактерии и вируса есть свой уникальный код, благодаря чему мы можем их распознавать. Далее нам требуется дополнительно подготовить образцы с использованием наночастиц, чтобы их анализировать. На чипе есть большой выбор ДНК и самые разные возможности для прикрепления ДНК бактерии или вируса к определенной области чипа, содержащей наиболее подходящий комплементарный участок ДНК. Благодаря прикрепленным частицам золота, место на чипе, где произошло прикрепление наночастиц, окрашивается в красный цвет. Наноразмерное золото, конечно же, имеет не золотистый металлический цвет, а красный. Как только мы обнаруживаем заболевание – вирус или какую-либо другую причину, послужившую заболеванию – мы совершенствуем и адаптируем наш продукт - зондовые частицы - для достижения максимального связывания. В соответствии с генетическим кодом пришитой ДНК-молекулы, обеспечивается специфичность связывания наночастиц с конкретной бактерией или вирусом. Наша технология помогает фотографически зарегистрировать сигнал от этого вируса, нанотехнология увеличивает сигнал буквально в тысячу раз. Таким образом, нам удалось получить самый чувствительный ДНК-датчик на планете. На сегодняшний день нами созданы панели чипов, которые позволяют осуществить анализ практически любого вида вируса гриппа и практически любых инфекционных заболеваний. Система Verigene® позволяет очень экспрессно и быстро анализировать патологии, связанные не только с присутствием патогенов, а также осуществлять полноценный анализ генома, определять генетические нарушения, имеющие место, которые в будущем могут привести к проблемам со здоровьем, например, проблемам с метаболизмом какого-то вида клеток.
Какими преимуществами обладают наночастицы золота по сравнению с люминесцентными маркерами, которые также используются в технологии ДНК-чипов?
Когда вы создаете сферическую частицу с ДНК, она связывается с вирусом в сотни раз сильнее, чем обычно. Это кооперативный эффект. Более сильное связывание, в свою очередь, позволяет понизить предел обнаружения в сотню раз. Сферически собранные ДНК сильно связываются с субстратом, так как это энтропийный эффект, причем это связывание будет весьма сильным вне зависимости от того, какие ДНК мы возьмем и каким будет ядро. Таким образом, наш сенсор получается и более чувствительным, и более селективным.
Сферические нуклеиновые кислоты стали частью клинической практики в Соединенных Штатах Америки. Как обстоит дело с внедрением Ваших разработок в других странах, в частности, в России?
К сожалению, у меня нет статистики продаж в Европейских странах, в том числе в России. Я уверен, что наша разработка скоро будет использоваться и в медицинских центрах во всем мире. Насчет России я уверен, что созданные нами технологии уже скоро появятся и у вас в стране.
У вас в руке наглядная модель ваших сферических частиц? Насколько она удачна.
Смотрите. (показывает мяч-ежик) Это собранные в виде сферы нуклеиновые кислоты или молекулы лекарственных препаратов. Частицы направляются к клетке, если ген необходимо включить или выключить. Таким образом, раковая клетка может быть селективно умерщвлена. Нам не обязательно использовать золотое ядро в этом случае. У нас есть целый набор ядер разной природы, в том числе и липидные ядра. Важным открытием стало то, что природа ядра нам не так важна в случае, когда мы обсуждаем доставку лекарств. Важна только природа нуклеиновых кислот, сформировавших поверхность сферической частицы.
Ваши частицы остаются стабильными в ходе всех экспериментов? Как они ведут себя, попав в организм пациента?
Все именно так, и нам известно большое число химических способов, как добиться стабильности сферических частиц. Нами использовались сотни серий нуклеиновых кислот, чтобы модифицировать сферическое золотое ядро в работе над системой Verigene® и были разработаны разнообразные архитектуры ДНК оболочек, расширяющие наши возможности по сравнению с задачей селективного анализа.
Если говорить про концепцию продукта, то в синтезе сферической частицы должны быть использованы ключевые молекулы ДНК, предложенные и синтезированные химиками-специалистами. Мы собираем эти молекулы в частицы различных форм, перебирая ядра и компоненты. Каждый раз это новая задача, и все наночастицы очень разные по своим свойствам.
Каким, на Ваш взгляд, будет следующий шаг в медицине будущего? Удастся ли победить рак с помощью разработанной Вами методики или чего-то подобного?
Очень хороший вопрос. Разрабатывается много аналогов данных систем. Вы знаете уже, что нами созданы вакцины против гриппа, имеются вакцины, которые очень мощно и селективно воздействуют на различные формы раковых клеток. Мы уверены, что следующий прорыв в данной области наномедицины произойдет уже не в течение тридцати лет, а в течение ближайших десяти. Уже сегодня у нас имеется большой выбор лекарственных препаратов и есть технологии, как эта (показывает "модель сферической частицы"), которые позволяют взять любое ядро, модифицировать его всеми необходимыми генами и лекарственными препаратами для векторного воздействия на иммунную систему человека и адресно доставить все это в необходимый участок организма, сообщив своей иммунной системе ответ против конкретного вида клеток-патогенов. С химической точки зрения сейчас это кажется очень сложным, так как создание таких "умных систем" - это колоссальный объем экспериментальной работы. Сегодня эта технология не реализуема, так как пока она представляется нам как некий «черный ящик», о котором заранее не известно, как все это будет работать.
Сколько времени у вас занял путь от формулирования общей концепции продукта до клинических испытаний технологии?
Если говорить о маркерах для клинической диагностики генной патологии, то впервые технология была предложена в 1996 году, и только к 2007 году был получен коммерциализируемый продукт. В 2011 году была основана компания, но клинические испытания препаратов были осуществлены лишь только в этом году – то есть еще через пять лет. Если речь о лабораторных методах скрининга, то это несколько более быстрый путь.