Процесс лиофилизации клеток и использования термических технологий позволит создавать портативное производство лекарственных препаратов и вакцин где, уверены ученые — а еще так можно будет быстро выявлять штамми лихорадки Эбола и вируса Зика. Впрочем, глубинное замораживание может использоваться не только для этих задач.
Главная проблема — как сохранить вакцину между 20 холодильниками? Для того, чтобы доставить вакцину от производителя к ребенку, который нуждается в этом, часто приходится пересекать страны, если не материки. Из-за такого расстояния вакцины транспотуються с использованием «холодовой цепи»: так называют ряд изотермических боксов, морозильников, рефрижераторов и складов со специальным температурным режимом. И эта цепь достаточно хрупкая: любой сбой в одном из звеньев приведет к таянию льда и необратимому распаду медпрепаратов.
Но если Кит Парди из Университета Торонто и Джим Коллинз с MIT достигнут своей цели, «охлаждающая цепь» может стать делом прошлого. Они разработали методику изготовления вакцин и лекарств в тех местах, где они действительно нужны — и вместо того, чтобы строить большие заводы, их метод предусматривает выпуск медикаментов с помощью живых клеток.
Сушка вакцин замораживанием
Клетки содержат энзимы, которые считывают инструкции, закодированные в ДНК, и используют их для создания биологических молекул. Парди обнаружил, что эти энзимы сохраняют свои свойства и могут работать, даже если они будут удалены из родной клетки и подвергнуты сублимационному высушиванию. В этом состоянии они одновременно стабильны и поддаются транспортировке, перемещать и хранить их можно при комнатной температуре. Добавьте воду, и ферменты снова «оживут». Предложите им правильные инструкции ДНК, и они начнут штамповать молекулы, которые вы захотите: вакцины, антибиотики и многое другое.
Изготовления лекарств может стать не единственным применением этой технологии. Путем сушки и вымораживания внутренностей клеток на небольшие бумажные диски Парди также создал дешевый способ выявления серьезных заболеваний, таких как вирус Зика и лихорадка Эбола, не полагаясь на лаборатории или устройства. Достаточно добавить каплю слюны или крови на бумажные диски, и они будут менять цвет, если проба содержит вирус.
Парди признается, что никогда не думал, что все это будет работать: «Я считал, что нет никакого способа, которым мы могли бы заморозкой высушить эти образцы, и у них все могло бы воспроизводиться и сохранять активность. Думаю, через это предположение и другие не пытались делать такие эксперименты.»
Такой подход является частью растущей области научных исследований, которая называется биологией синтеза, где ученые смешивают гены живых существ в новые смелые комбинации. При написании новых генетических программ они могут создать дрожжи, которые генерируют противомалярийные препараты; или микробы для кишечника, которые находят и убивают раковые клетки. Такой подход является мощным, но те, кто хочет его практиковать, все еще должны вырастить модифицированные клетки и имеют дело со всеми непредсказуемыми явлениями биологии, — а также должны будут дать себе отчет при контакте с общественностью, которая по-прежнему с опаской относится к использованию и созданию генетически модифицированных организмов.
Последнее побудило Парди обойтись полностью без ГМО. Почему бы просто не взять все механизмы, которые клетки обычно используют для запуска сложных генетических программ, и загружать их в что-то неживое, например, фрагмент бумаги или пластиковую трубку? Это выглядело бы как запуск операционной системы компьютера не с встроенного, а с внешнего диска.
Удачная случайность и зеленый цвет
Впервые исследователь попробовал такой метод летом 2012 года. Однажды он нарисовал ряд кругов на бумаге — а внутри них каплями разместил 35 бактериальных ферментов, затем подверг их сублимационной сушке, и стал ждать. В конце концов, он возродил ферменты из воды и присвоил им некоторые инструкции через долю ДНК, которая кодирует молекулы, чтобы они светились зеленым цветом. И бумажные диски начали светится зеленым. Это сработало. Для чего же можно использовать такое свойство сушки глубоким замораживанием?
Когда это случилось, Алекс Грин, еще один член команды Джима Коллинза, отдельно разрабатывал набор генетических программ для быстрого диагностирования вирусных заболеваний. Эти программы должны определять генетический материал конкретного вируса. Во время работы они активируют ген, который производит цвет, скажем, фиолетовый пигмент. В свою очередь эти клетки активируют пигмент в момент контакта с вирусом — и тот становится видимым. Ученые решили объединить свои усилия. Результаты совместных научных экспериментов и поисков было обнародовано 2014 года.
Почему именно вирус Зика
До конца 2015 года проблем у ученых-экспериментаторов стало больше из-за вспышки вируса Зика на планете. Вирус Зика является заболеванием, которое может остановить развитие мозга у младенцев, и его обнаружение в начале болезни является довольно сложной задачей. Вы можете искать антитела, которые реагируют на вирус, но они, как правило, подбираются под генетически подобные вирусы, такие как лихорадка Денге. Можно изучать последовательность в геноме и так выявлять вирус, но эта процедура предусматривает транспортировку образцов крови в города со сложными лабораториями и научным оборудованием, которого в сельской местности и в бедных страна просто нет. Именно тогда стало ясно, что технология глубокого замораживания может стать альтернативой для борьбы с этим опасным новым вирусом.
Команда быстро создала датчик на бумажной основе, который меняет цвет при контакте с вирусом Зика, и включила его к электронному считывателю ценой $250. Такой детектор вирусов может обнаружить очень низкие концентрации вируса в крови инфицированной обезьяны. Реагирует он только на вирус Зика, и не дает ложных срабатываний на лихорадку Денге. С его помощью можно даже определить различия между различными штаммами вируса Зика, даже если они отличаются только одной генетической парой. На изготовление такого датчика ушло всего 6 недель.
Создание нового датчика займет еще меньше времени, утверждают ученые. Они разработали компьютерную программу, которая будет анализировать геном вируса и включать маркеры, которые распознают специфические последовательности генома, не встречающиеся в других вирусов или в человеческом геноме. Команда ученых также получила в 2016 году финансирование для полевых испытаний, во время которых они будут тестировать датчик вируса Зика на большом количестве людей в Южной Америке. И поскольку все это работает на той же технологии создания лиофилизатов без использования клеток, датчик должен работать в высокой температуре в условиях тропической влажности в зонах, где чаще всего случаются вспышки этого вируса.
Можно обойтись и без бумаги — просто добавьте воды
Для этого нового датчика команда Парди избегает бумаги. Они просто вымораживают энзимы, а затем достаточно добавить воды, чтобы увидеть цветную реакцию на взятый штамм. Таким образом команда создала множество медицинских молекул, в том числе: противомикробные химикаты для обнаружения и дальнейшего уничтожения бактерий; антитела для определения раковых клеток; и вакцины, такие как вакцины против дифтерии, которые сложно транспортировать и распределять очень быстро через их чувствительность к повторному размораживанию и замораживанию. Этот новый способ эффективный. Он позволяет подготовить вакцину против дифтерии в количествах, сопоставимых с коммерческими системами, но с меньшей себестоимостью — пока не все компоненты можно удешевить, но Парди уверяет, что дальнейшее удешевление неизбежно. А главным преимуществом является изготовление нужного количества вакцин на месте.
«Основные методы этого процесса уже давно известны, но их применение к этой проблеме является уникальным и демонстрирует силу объединения инженеров и биологов,» — утверждает синтетический биолог Даниэль Тюльман-Ерцек из Калифорнийского университета в Беркли. За несколько десятилетий эта технология может позволить исследователям в отдаленных джунглях или на антарктических станциях изготавливать лекарства и вакцины по требованию, для этого достаточно будет иметь с собой набор лиофилизированных клеток.
Да и такой набор может даже не быть необходимым. На данный момент все-таки дорого синтезировать ДНК. Но поскольку стоимость синтезирующих веществ падает, вы могли бы передавать последовательность инструкций генерирования молекул — генов, — чтобы те могли бы быть синтезированы на месте, говорит Парди. Представьте группу космонавтов на пути к Марсу, которым нужно вылечить больного участника экипажа, — им достаточно скачать инструкции для изготовления препарата и добавить их в простую лиофилизированную таблетку, чтобы получить вакцину на борту.
Источник: The Atlantic
