Трехмерные клетки и влияние курения на легкие
— Вы занимаетесь выращиванием искусственных клеток легких. Как это происходит?
— Лучше их называть органотипическими. То есть это искусственные ткани, которые можно вырастить в лаборатории. При этом они дифференцируются в различных направлениях. Можно взять ткани — базальные клетки эпителия легкого — и с помощью специальных соединений, регулирующих рост клеток, вырастить искусственную трехмерную ткань в лабораторных условиях. И с точки зрения биологии она будет лучше отражать систему легких человека.
Традиционно используются двумерные клетки, исследования на которых проводятся в специальных чашках Петри. Но современные методы позволяют выращивать трехмерные ткани. И поскольку они трехмерные и дифференцированные, они состоят из различных типов клеток, как и в реальных тканях человека.
Всегда, когда мы выращиваем ткань, делаем гистологию, то есть срез ткани, и смотрим, какие там клетки. С помощью специальных маркеров можно посмотреть, выращены ли клетки, соответствующие легочным тканям. Этим мы показываем, что ткани идентичны, к примеру, бронхиальным тканям.
По данным Всемирной организации здравоохранения, табак убивает до половины употребляющих его людей. Ежегодно табак приводит почти к 7 млн случаев смерти, из которых более 6 млн случаев происходит среди потребителей и бывших потребителей табака, и более 890 тыс. — среди некурящих людей, подвергающихся воздействию вторичного табачного дыма. Почти 80% из миллиарда курильщиков в мире живет в странах с низким и средним уровнем дохода.
— Для чего вы это делаете? Для проведения исследований на этих клетках легких?
— Да. Есть специальная система, которая называется Vitrocell system. Она позволяет делать экспозицию — либо аэрозоля бездымных продуктов, либо продуктов типа сигарет, а потом сравнивать их. В этой системе аэрозоль или сигаретный дым попадает на искусственно выращенную ткань. Подобные эксперименты моделируют те же самые условия, которые происходят у курильщиков либо у тех, кто переключился на систему нагревания табака IQOS, например.
— Можно ли искусственные клетки легких использовать в медицине или они выращиваются только для исследований?
— Теоретически это возможно, если полностью вырастить легкое. На данном этапе пока очень сложно, потому что легкое состоит из многих частей и типов клеток. Но некоторые простые органы, например, печень, можно воспроизвести достаточно точно. И уже есть публикации о том, что были успешные трансплантации таких искусственно выращенных клеток печени. Но легкие — достаточно сложный орган по сравнению с печенью.
«Любые жидкости попадают в область биосенсоров»
— Ваша текущая должность — Director Biomarker & Biosensor Research. Можете рассказать, что такое биомаркеры?
— Биомаркеры — общее название молекул, позволяющих коррелировать с состоянием человека, связанным с каким-то заболеванием. Есть биомаркеры заболеваний легких, например, пневмонии или ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь легких — «Хайтек»). Классический биомаркер сердечно-сосудистых заболеваний — холестерин. Все слышали о хорошем и плохом холестерине. Холестерин высокоплотных липопротеинов — это конкретная молекула. И он хорошо коррелирует с развитием сердечно-сосудистых заболеваний. Мы его тоже измеряем.
В системной биологии мы смотрим на все молекулы и поэтому можем прослеживать концентрации многих биомаркеров одновременно. Это то, что называется signature — «подпись». Она состоит сразу из нескольких биомаркеров. В случае сердечно-сосудистых заболеваний, например, можно следить за холестерином, триглицеридами и другими молекулами. Это позволяет сделать более точный прогноз заболеваний.
— Биосенсоры, соответственно, измеряют биомаркеры?
— Да. Биосенсоры — достаточно новая и очень популярная сейчас идея. Даже во многих смартфонах есть сенсоры, определяющие, допустим, количество шагов, которые человек сделал. Мы тоже пытаемся использовать биосенсоры. Когда проводим клинические исследования, то они позволяют постоянно прослеживать какие-то биомаркеры. Для этого используем, например, человеческий пот. То есть постоянно собираем пот и отслеживаем молекулы, которые содержатся в нем и указывают на состояние здоровья человека. Можно также постоянно следить за изменением состава слюны. Это достаточно легко. Любые жидкости и измерения, с ними связанные, которые проводятся постоянно, попадают в область биосенсоров.
В чем преимущество? Человек приходит к врачу и измеряет холестерин — он делает это один-два раза в год. И он может о своем состоянии узнать только в этот момент. Он пришел в врачу, ему сделали измерение биомаркеров и сказали: вроде бы болезни нет, все прекрасно. Биосенсоры позволяют следить за этим индикатором постоянно в режиме реального времени. Например, можно понять, что у человека после еды резко подскочил холестерин. Это очень плохо, потому что резкий скачок холестерина может привести к тому, что сосуды закупорятся.
Мы хотим убедиться: когда курильщики переходят на использование таких бездымных продуктов, как IQOS, то у них происходит снижение биомаркеров многих заболеваний, связанных с курением. А также других биомаркеров. Человек начинает жить лучше, чем курильщик. Не просто с точки зрения сердечно-сосудистых заболеваний, но и в целом. Его состояние улучшается. Но для этого нужно, чтобы люди согласились постоянно следить за своим здоровьем.
Главная проблема — инвазивные методы
— Для определения состояния человека и слежения за его биомаркерами нужны какие-то устройства?
— Да, небольшие устройства, как биосенсоры, позволяющие сразу же измерять биомаркеры. Самый известный прибор — для измерения глюкозы. Диабетикам приходится постоянно проверять уровень глюкозы, особенно до и после еды, чтобы убедиться: поддерживается ли она на необходимом уровне.
— Но эти приборы не самые приятные в применении.
— Они неприятные, потому что приходится прокалывать кожу. Это, конечно, слишком инвазивно. Лучше использовать устройства, позволяющие измерять молекулы и следить за биомаркерами в поте или слюне. Мы пытаемся делать то же самое.
Что самое интересное, в отличие от телефонов или других популярных гаджетов, тот же IQOS потребители используют, помещая в рот. Поэтому слюна для нас — очень информативная жидкость. Если мы научимся использовать эти миниатюрные биосенсоры, то сможем сразу же информировать людей об их здоровье.
— Биомаркеры каких заболеваний можно выявить на основе слюны?
— Сейчас проводится достаточно много исследований состава слюны. Потому что слюну можно получить очень легко, без неприятных процедур, как с кровью. И уже многие биомаркеры, которые были определены в крови, сейчас можно определить в слюне. Ту же самую глюкозу уже сейчас можно измерить в слюне. Хотя эта область все еще развивается, необходимы подтверждения, что точность определения глюкозы в слюне такая же, как и в крови. Есть большая надежда, что в слюне можно будет измерять все биомаркеры, которые сейчас исследованы в крови.
В организме кровь используется как очистительная система — туда сбрасывается все, и зачастую очень сложно точно определять биомаркеры. Из-за того, что там скапливаются и белки, и ДНК, и другие молекулы, — творится хаос. В слюне меньше этих дополнительных элементов, которые мешают определению. Поэтому сейчас есть надежда, что слюна станет жидкостью будущего для многих биомаркеров заболеваний, связанных с курением, но также и с другими недугами.
Николай Иванов
Противоречивые последствия курения
— Очень трудно найти заболевание, не связанное с курением. То есть курение может стать причиной любого заболевания?
— Курение является фактором риска для многих заболеваний. В некоторых оно является причиной, это еще более сильное заключение. Курение — причина сердечно-сосудистых болезней, рака легких. Но есть многие другие заболевания, например, аутоиммунные. Многие из них связаны с воспалением. Курение вызывает хроническое воспаление легких, а также некоторых других органов.
Вторичный табачный дым — одна из причин возникновения целого спектра заболеваний у людей, которые не являются курильщиками, но посещают места, где другие люди употребляют сигареты. В табачном дыме присутствует более 4 тыс. химических веществ, из которых по меньшей мере 250 известны как вредные, а более 50 как канцерогены. По данным ВОЗ:
- Среди взрослых людей вторичный табачный дым вызывает серьезные сердечно-сосудистые и респираторные заболевания, включая ишемическую болезнь сердца и рак легких. Среди детей грудного возраста он вызывает внезапную смерть. У беременных женщин приводит к рождению детей с низкой массой тела.
- Почти половина детей регулярно дышит воздухом, загрязненным табачным дымом в местах общественного пользования.
- Вторичный табачный дым является причиной более 890 тыс. случаев преждевременной смерти в год.
- В 2004 году на долю детей приходилось 28% всех случаев смерти, связываемых с вторичным табачным дымом.
— У вас были статьи про воспалительные заболевания кишечника.
— Может быть и кишечника, да. Есть заболевания вроде болезни Крона, где курение является фактором риска. Людям, страдающим этой болезнью, лучше либо полностью бросить курить, либо попробовать иные продукты, к примеру, бездымные.
Мы проводим исследования, чтобы понять, снизится ли риск заболеваний, если человек перейдет на новые продукты. Но есть очень интересные — тоже из группы воспаления кишечника, например, язвенный колит. Для этих диагнозов курение является не риском, а, напротив, снижает количество воспалений. Для нас и многих других ученых это является парадоксальным явлением. Почему в большинстве заболеваний курение является фактором риска, а в случае язвенного колита способствует уменьшению силы симптомов? Пытаемся такие вещи изучать, чтобы понять, как можем в этом случае помочь курильщикам, которые страдают различными заболеваниями.
«Мы не просто сорвали листья, о которых ничего не понимаем, где-то в поле»
— Довольно иронично, что вы работаете на табачную компанию и занимаетесь такими исследованиями.
— Да, согласен. На самом деле я начал свою работу с генома табака. Что было интересно в Philip Morris? Во-первых, проект генома табака очень сложный. Там 4,5 гига базы или нуклеотида, то есть в 1,5 раза больше человеческого. Сложность в том, что в геноме табака на самом деле два «прародителя». Он не просто диплоид, как человек, например. Он тетраплоид — то есть у него четыре «родителя». Для меня было очень интересно этим заниматься. Я счастлив, что мы успешно завершили этот проект. На его реализацию ушло девять лет, а результаты опубликовали в журнале Nature Communications.
Есть и другие проекты — мы создали систему нагревания табака IQOS, занимаемся системной биологией с огромным спектром исследований — начиная с растений, клеток, тканей, клинических образцов — очень продвинутые проекты. Я даже не уверен, что в других компаниях я смог бы заниматься такой интересной научной работой.
— Вы очень долго занимались исследованием генома табака. Сколько это времени заняло?
— Мы начали проект в 2005 году и закончили публикацией в 2014. Несмотря на то, что это заняло долгое время, публикация вышла в одном из лучших научных журналов Nature Communications.
— А для чего вы исследовали геном табака?
— Во-первых, геном табака очень важен, чтобы лучше понимать тот продукт, который мы продаем своим потребителям. До того, как мы расшифровали геном, было достаточно мало информации о биологии табака. Геном позволил гораздо лучше понимать, что происходит с самим растением — какие биологические процессы задействованы при культивации, при сборе и так далее.
Одно из самых важных направлений — изучить процесс, как возникают токсичные вещества в табаке. Или, например, как происходит биосинтез никотина, который является основной молекулой в табаке, в сигаретном дыме, а также в аэрозоле наших новых продуктов. Несмотря на то, что молекула очень простая, сам биосинтез до сих пор остается загадкой. Если кто-нибудь откроет, как это происходит (и мы над этим работаем), то это будет очень большая публикация в престижном журнале.
С точки зрения имиджа для нас очень важно знать все о табаке. Мы не просто сорвали листья, о которых ничего не понимаем, где-то в поле. Мы изучаем продукт на уровне молекулярной биологии и хорошо его знаем.
Отдельная тема — генетически модифицированные организмы (ГМО). Потребители не хотят, чтобы в их продуктах были ГМО. Чтобы убедиться, что тот табак, который мы покупаем у фермеров, чистый, делаем скрининг на ГМО. Для этого нужно знать геном табака.
— Вы публикуете все результаты своих исследований и выкладываете их в открытый доступ. Это не мешает коммерческому применению результатов?
Если говорить об устройстве IQOS, практически все его части запатентованы. Но с точки зрения научных исследований — воздействия аэрозоля или табачного дыма на различные органы, ткани, клетки — все результаты исследований публикуются в рецензируемых научных журналах и на сайте PMIScience.com. Все наши клинические исследования регистрируются на портале ClinicalTrials.gov. Мы открыто делимся методиками и результатами своих исследований с экспертным научным сообществом и приветствуем независимые исследования для оценки и подтверждения полученных нами результатов исследований. Мы даже публикуем видеоролики о том, как проводим эксперименты, какие компоненты и клетки используем, чтобы показать, что ничего не скрываем.