Токсикогеномика
В повседневной жизни мы имеем дело с
огромным количеством химических веществ
искусственного происхождения – это лекарства,
синтетические моющие средства, парфюмерия,
косметика, пищевые добавки и многое другое.
Традиционно их токсичность проверяется (или
должна проверяться) на животных. Однако то, что
безвредно для животных, может оказаться
токсичным для людей, к тому же такие испытания
дороги, имеют большую продолжительность и,
вообще говоря, негуманны. Ученые разных стран
давно ищут способы заменить подопытных животных
адекватными искусственными системами.
Так возникла токсикогеномика – новое
направление в токсикологии, которое занимается
разработкой методов для проверки токсичности
различных химических веществ с помощью так
называемых ДНК-чипов. ДНК-чипы представляют
собой микроскопические пластинки из стекла или
пластика с нанесенными на них в определенном
порядке тысячами фрагментов ДНК, содержащих
определенные гены. Суть метода состоит в
следующем.
Реагируя на испытуемое вещество, гены
активируются или, наоборот, перестают работать.
Выяснить реакцию генов на вещество несложно.
Когда в клетке ген становится активным, на нем
синтезируется молекула иРНК, несущая информацию
о том, какой белок должна синтезировать клетка.
Такую иРНК используют для синтеза новой ДНК,
которую окрашивают светящейся краской. Если
раствор с этой ДНК нанести на ДНК-чип, то она
свяжется с соответствующими фрагментами ДНК на
чипе. После промывки чипа участки, с которыми
связалась меченая ДНК, имеют вид
микроскопических светящихся точек. В результате
получается паттерн, или рисунок генной
активности.
Преимущества этого метода очевидны.
При проведении испытаний на животных от момента
воздействия исследуемого вещества до проявления
симптомов зачастую проходит значительное время,
а при использовании ДНК-чипов результат виден
практически сразу. Новый метод позволяет не
только установить токсичность вещества, но и
выявить ее причины. Кроме того, он дает
возможность обходиться без подопытных животных,
хотя бывают случаи, когда исследования генной
активности необходимо дополнить исследованиями
на животных.
Новое направление имеет и противников.
Можно ли истолковать рисунок генной активности
однозначно? Ведь гены могут «включаться» и
«выключаться» по разным причинам. «Множество
перемен в активности генов не связано с
токсичностью, – заявляет Крис Кортон из
Института токсикологии в Северной Каролине. –
Вспомним хотя бы ген, ведающий ферментом,
разрушающим многие лекарства и химические
вещества. Этот ген включается под действием
углекислого газа, брюссельской капусты и еще бог
знает чего. Фармацевтические фирмы всегда
опасаются его реакций».
Однако сторонники нового метода,
признавая некоторое его несовершенство, все-таки
считают, что он имеет большие перспективы.
Днк-чипы уже широко применяются в медицине, и, в
частности, в онкологии – для сравнения генной
активности раковых и нормальных клеток. Уже
удалось найти определенные паттерны для многих
веществ, разрушающих гормоны, различных
канцерогенов и опасных для печени ядов. Кроме
того, у людей, страдающих аллергией, обнаружено 260
генов, проявляющих специфическую активность под
действием пенициллина. Дальнейшие исследования
помогут предвидеть побочные эффекты других
лекарств.
В настоящее время ученые создают банк данных,
испытывая токсичные вещества для того, чтобы
можно было сравнивать реакцию ДНК-чипов на
вещества с неизвестными свойствами. Такие банки
создают, например фирмы «Incyte Genomics» в Калифорнии и
«Gene Logic» в Мэриленде (США). Полученные данные они
продают фармацевтическим фирмам. В системе
Национальных институтов здоровья США начал
работать недавно организованный Центр
токсикогеномики, в задачу которого входят как
фундаментальные исследования, так и создание
общедоступной базы данных.
Создание органов и тканей
Ежегодно сотни тысяч людей во всем
мире нуждаются в замене вышедших из строя
органов, поэтому каждое научное достижение в
этой области означает множество спасенных
жизней. Значительные успехи трансплантации
позволяют заменить переставший нормально
работать орган на донорский. Но донорских
органов хронически не хватает. Например, в США в
1997 г. в пересадке сердца нуждались около
40 тыс. человек и только 2,3 тыс. больным была
сделана эта операция. В Германии лишь половине
нуждающихся в том или ином органе делается
необходимая операция. Вряд ли будет ошибочным
предположение, что у нас дело обстоит еще хуже.
Оптимальным решением проблемы может
быть создание тканей и органов из клеток (в
идеальном случае – из клеток самого больного).
Один из возможных подходов – использование
специальных полимерных каркасов, которые
имплантируют в поврежденный участок. Там на нем
формируется новая ткань, сам каркас разлагается,
и в результате дефект ликвидируется.
Эта методика может быть использована,
в частности, для лечения сложных переломов, когда
кость сама срастись не может. Так, группа ученых
под руководством Антониоса Микоса (США) создает
полимеры для инъекций, в состав которых входят
протеины, стимулирующие рост костной ткани.
После введения в зону повреждения полимер
застывает в течение 10–15 мин, принимая форму
трещины, которую он заполняет. Через несколько
недель полимер растворяется, в то время как его
место заполняет растущая костная ткань.
Другой способ разработан Карл-Хайнцем
Шмидтом из университетской клиники
г. Тюбингена (Германия). Им создана особая
«коллагеновая вата», не вызывающая в организме
реакции отторжения. Исходным материалом для нее
служат кости крупного рогатого скота. После
нескольких стадий механической, температурной и
химической обработки получается материал, не
содержащий веществ, способных вызвать реакцию
отторжения, и в то же время сохраняющий
естественную структуру коллагеновых соединений
и их биологическую активность. При имплантации
«ваты» в зону дефекта она постепенно заполняется
клетками костной ткани. Сам же коллагеновый
субстрат растворяется.
Восстановленные участки нуждаются в
питании, а для этого необходимы кровеносные
сосуды. Можно инициировать прорастание сосудов
из смежных тканей в оздоровляемый участок ткани.
С этой целью в каркас вводят соответствующие
молекулы-стимуляторы. Проникая в смежные ткани,
они вызывают врастание кровеносных сосудов в
восстановленный участок органа или ткани.
В настоящее время ученым известны
только факторы, определяющие рост костной ткани
и кровеносных сосудов. В воспроизводстве сложных
органов, вероятно, участвует несколько
стимуляторов. Что это за вещества и каков
механизм их действия, покажут будущие
исследования.
Победить слепоту
Потеря зрения часто происходит
вследствие поражения палочек и колбочек –
фоторецепторов, расположенных на сетчатке. В
нормально функционирующем органе зрения
фоторецепторы, воспринявшие световой сигнал,
выделяют специфические вещества, вызывающие
реакции во взаимосвязанной системе клеток
сетчатки, после чего преобразованный сигнал
попадает в зрительный нерв, а по нему в
зрительный отдел мозга, где и формируется
зрительный образ. Эжен де Жуан и Марк Хьюмэн,
профессора университета Джона Хопкинса (США),
предположили, что в тех случаях, когда
фоторецепторы по каким-либо причинам
отсутствуют или не работают, клетки сетчатки
могут оставаться работоспособными.
Для того чтобы проверить свое
предположение, ученые исследовали сетчатку
органов зрения, удаленных у ослепших больных, и
обнаружили, что хотя фоторецепторы в ней
практически отсутствовали, до 80% клеток
оставались неповрежденными. Ученые
предположили, что лишившимся зрения людям можно
вернуть его, вживив в сетчатку искусственные
фоторецепторы – имплантаты с электродами,
которые стимулировали бы клетки сетчатки при
наличии световых сигналов.
Экспериментируя на животных,
исследователи выяснили, на какой уровень
электрического сигнала реагируют клетки
светочувствительной оболочки. После этого
настала очередь добровольцев. Хьюмэн через
зрачок и белочную оболочку вводил в глаз
пациента в направлении сетчатки платиновый зонд,
покрытый тефлоном и силиконовой смолой. Изменяя
силу тока и частоту импульсов, он добился того,
что пациент увидел светлое пятно величиной с
горошину. В следующем опыте больной увидел уже
три световых пятна после того, как ему ввели три
зонда, отстоящих друг от друга на доли
миллиметра. Позже исследователи имплантировали
тому же испытуемому прилегающую к сетчатке
матрицу с 25 электродами, которая позволила ему
увидеть U-образное изображение.
Усовершенствовала это изобретение
группа профессора Вентаи Лиу из университета
штата Северная Каролина (США), создав систему,
состоящую из видеокамеры, видеопроцессора и
имплантата, содержащего 100 электородов. Ученые
считают что, хотя с ее помощью и нельзя будет
читать или различать лица, но вполне можно
передвигаться на улице без посторонней помощи.
С другой стороны к решению этой
проблемы подошел Алан Чоу, офтальмолог из
г. Уитона (Иллинойс, США), работающий над
созданием искусственной силиконовой сетчатки.
Она имеет диаметр 3 мм, толщину 25 мк и
содержит 7 тыс. микрофотодиодов. Такой
имплантат должен вживляться под сетчатку и ему
не нужны камера, источник питания и транзисторы.
Испытания на крысах прошли успешно, и Чоу
надеется в недалеком будущем опробовать свое
изобретение на людях.
По материалам
Tecnology Review of MIT.
Scientific American.
http: // www.homes.line.ru/url/sc_tech.html.
http: // www.dwelle.de
http: // www.nsu.ru/materials/ssl/text/news
|