«Жить больше ста лет человеку скучно»
Чтобы проникнуть в организм человека, отследить и обезвредить болезнь, понадобилась новая наука — на стыке нанофизики и биологии. Она вооружила нас биосенсорами, которые обещают вскоре изменить медицину, затем человека, а в перспективе — даже заставить чувствовать роботов. О горизонтах биофизики и чудесах, которые уже ей подвластны,— профессор Сколтеха и ассоциированный профессор университета Северного Техаса Владимир Драчев.
Возможности новой науки поможет представить одна деталь — уже сегодня ученые научились отслеживать в организме человека, причем в режиме реального времени, повреждение одной-единственной цепочки ДНК, а ведь именно с этого начинаются многие заболевания, в том числе развитие рака. Реальным все это стало благодаря биосенсорам, рынок которых, разогреваемый появлением новых инфекций и заболеваний, развивается быстрее других отраслей медицины. По прогнозу аналитиков исследовательской компании Grand View Research (США), за пять лет общий рынок биосенсоров вырастет с 21,2 млрд долларов в 2019 году до 31,5 млрд в 2024-м. «Огонек» постарался выяснить, что нам от этого ждать.
— Владимир Прокопьевич, вы много лет разрабатываете биосенсоры, которые, судя по шквалу научных публикаций, стали одними из самых популярных медицинских устройств. Давайте начнем с определения: что же это такое?
— Биосенсоры — это миниатюрные устройства, которые используют биофизические технологии для «распознавания» определенных молекул — индикаторов болезни. Понятный аналог биосенсора — наше обоняние, благодаря которому мы можем определять, что находится в атмосфере. На самом же деле мы знаем огромное количество разновидностей биосенсоров: самый древний — канарейка, которую шахтеры брали под землю, так как эти птицы чрезвычайно чувствительны к уровню метана.
— А можно сделать биосенсор для обнаружения, скажем, коронавируса?
— С моей стороны было бы нескромно давать комментарии на эту тему. Сам по себе сюжет уже стал политическим, это если не говорить о сугубо практической стороне вопроса. А я все-таки далек и от того, и от другого. Тем не менее уверен, что такие биосенсоры уже есть.
— Как бы то ни было, рынок биосенсоров — это миллиарды долларов уже сегодня. Откуда такой размах? Можно ли обозначить главную цель разработчиков?
— Конечно. В идеале медики хотят получить сенсоры для обнаружения всех болезней. Впрочем, современные биосенсоры могут диагностировать болезнь в режиме реального времени — внутри организма. Более того, они столь чувствительны, что могут определить буквально одну молекулу вещества в образце. А в будущем они смогут не только «отлавливать» болезнь на старте, но и тут же устранять «поломку». Это и есть самая давняя мечта человека — быть здоровым и жить долго.
— Мечта понятна, но она все чаще обрастает скандалами: недавно прекратила работать компания Theranos, собравшая под свой стартап 9 млрд долларов. Они обещали по капле крови делать 240 анализов, в том числе на онкологические заболевания.
— Такие скандалы возникают из-за завышенных ожиданий. Ведь основательница компании обещала воплотить в жизнь сразу несколько прорывных изобретений — безболезненный забор крови, анализ сотен заболеваний за 15 минут, применение адресного лечения в режиме реального времени и так далее. В итоге оказалось, что подавляющее большинство анализов делали обычным способом или подтасовывали результаты. Сейчас этот стартап называют чуть ли не крупнейшей аферой в истории Кремниевой долины.
— Вы занимаетесь разработкой систем адресной доставки лекарств и в США, и в России. Это же тоже давняя мечта человечества о «волшебной пуле»: препарате, который сам находит и убивает возбудителя болезни. Какую роль здесь играют биосенсоры?
— Оговорюсь сразу: схема применения биосенсоров сложная, но она одна из самых перспективных. Представьте, что для начала нам нужно создать маленькую капсулу из полимеров или наночастиц металлов размером в один микрон (клетка больше такой капсулы в сотню раз!). К капсуле прикрепляют биосенсор, внутрь загружают лекарство, которое нужно доставить в какую-то точку организма. Это можно сделать «самотеком» — тогда капсула будет «блуждать» вместе с потоком крови до тех пор, пока не встретится со своей мишенью. Либо с помощью особого лазерного пинцета: тогда капсулу помещают в фокус лазерного луча и двигают по поверхности или же внутри клетки. Последняя технология — совсем новая, экспериментальная. В 2018-м за изобретение такого лазерного пинцета, который может перемещать даже вирусы, американскому физику Артуру Ашкину дали Нобелевскую премию. А сделал он свою работу, основываясь на открытии русского ученого Петра Лебедева о давлении света. Следующий этап. В процесс включается биосенсор, который размещен на капсуле. Он взаимодействует с молекулами на поверхности или внутри клетки и испускает соответствующий спектр излучения. Анализируя его состав, мы можем сказать, больная эта клетка или здоровая. Ну а когда мы убедились, что капсула достигла цели и перед нами, предположим, раковая клетка, мы отдаем команду разгрузить лекарство, а затем с помощью микроскопии высокого разрешения можем «посмотреть», как оно работает. Вся эта цепочка называется тераностика: вы можете не только диагностировать болезнь, но и вылечить ее. Сегодня целый ряд лекарственных средств, адресно доставляемых для лечения рака, находится на этапе клинических испытаний.
Оседлать электрон
— Вы сказали, что биосенсоров — великое множество. А в чем особенность сверхчувствительных устройств этого типа?
— Речь идет о так называемых плазмонных сенсорах. В мире настоящий бум подобных исследований: если вы наберете в поисковике слово «plasmonics», то увидите, что на эту тему публикуется в среднем по статье в день, а то и больше. За прошлый год, например, было напечатано около 700 научных статей.
— Так в чем же принципиальное отличие таких устройств?
— Дело в том, что тот сигнал от молекул, который нам нужно зарегистрировать, очень слаб. Чтобы его усилить, используют маленькие частички металлов. При взаимодействии со светом они порождают определенный отклик, который мы можем детектировать. Вообще, наука о взаимодействии света с электронами внутри металлических частиц называется плазмоникой. А плазмон — это коллективные колебания электронов внутри металла. При взаимодействии света с наночастицами металла возникают удивительные эффекты. Например, такие биосенсоры могут не только распознавать химический состав молекул, но и их сложную структуру, так называемые конформационные состояния молекул (речь о пространственном расположении атомов.— «О»).
— Плазмоника, кажется, одна из самых молодых наук?
— На самом деле у нее очень глубокие корни. Первыми ее адептами были алхимики, которые в числе прочего занимались изготовлением стеклянных витражей. Они добавляли металлическую пудру в стекло и получали совершенно неожиданные цвета, никак не соотносящиеся с изначальным цветом металла.
Первый, кто упорядочил существующие знания и сделал это наукой, был Майкл Фарадей. Он занялся изучением коллоидных растворов. Это такие жидкости, в которых находятся чрезвычайно мелкие частички вещества. Оказалось, что если, к примеру, золото желтого цвета, то его коллоидный раствор будет красным, как рубин. Фарадей догадался, что изменение цвета связано с размером частиц. Кстати, бутылочки с раствором, изготовленные Фарадеем, и сегодня можно увидеть в музее в Лондоне.