Об'ємна биопечать і ліки від ІІ. Що обіцяють подвійні чудеса в медицині
Нові ліки - за кілька тижнів
Знайти ефективні ліки від хвороби - це завжди диво. Воно вимагає величезних витрат праці, часу і грошей. Тому знайти спосіб прискорити цей процес - це подвійне диво.
Журнал Nature Biotechnology 2 вересня представив результати дослідження, проведеного гонконгської компанією Insilico Medicine. З допомогою штучного інтелекту (ШІ) вона навчилася створювати нові ліки всього за кілька тижнів. Це в десятки разів швидше, ніж традиційні методи.
Свою нейромережа компанія назвала GENTRL, зашифрувавши в цьому імені секрет успіху: generative tensorial reinforcement learning, тобто генеративна тензорну навчання з підкріпленням. Не будемо заглиблюватися в те, як це працює, важливіше результат. Insilico поставила перед нейромережею завдання знайти способи лікування фіброзу (це захворювання, при якому на органах в результаті запалення розростаються сполучні тканини, що заважає їх нормальній роботі). Всього за 21 день GENTRL знайшла кілька сильних лікарських засобів. Найперспективніший з них було протестовано на мишах і продемонструвало позитивну фармакологічну кінетику. На цей етап дослідження пішло ще 25 днів. Таким чином, на створення і тестування потенційного ліки треба було всього 46 днів. Грошові витрати склали $150 тис. Як зазначає журнал Forbes, розробка аналогічних лікарських препаратів за традиційним методом обійшлася біотехнологічної компанії Genentech в мільйони доларів США і тривала вісім років.
Insilico підкреслює, що вона ще не довела, що новий препарат ефективніше існуючих. Однак час і гроші, які пішли у вчених на створення потенційних ліків, куди менше, ніж у традиційних методів фармації. Проведене дослідження засвідчило величезний потенціал ІІ-систем у сфері розробки нових лікарських засобів. Зараз же вчені націлені на вдосконалення технології і, звичайно ж, на з'ясування ступеня ефективності нових препаратів, розроблених з допомогою GENTRL.
Перше подібне дослідження вчені компанії провели в 2016 р. Воно допомогло Insilico Medicine залучити інвестиції навіть в умовах високої конкуренції в галузі біотехнологій та ІІ. За даними Pitchbook, на даний момент компанія залучила $24,3 млн від кількох венчурних інвесторів, у тому числі від A-Level Capital і Juvenescence. Вартість Insilico Medicine оцінюється в $56 млн. У компанії також є декілька партнерів в галузі біотехнологій, зокрема A2A Pharmaceuticals і TARA Biosystems.
Компанія порівнює свою нейромережа з самообучаемым алгоритмом AlphaGo від Google DeepMind, який вигравав у чемпіонів по східній грі го. Це досить красномовне заяву, щоб судити про амбіції Insilico: з допомогою своєї технології вона хоче обійти чемпіонів фармацевтики зразок тієї ж Genentech.
Експерт видання Business Insider Захарі Хендріксон вважає ці амбіції реалістичними. Він зазначає, що Insilico Medicine справила ударну хвилю в фармацевтиці. Дослідження Insilico висвітлюють потенціал ІІ в революційній розробки ліків, що може дати потужний поштовх фармацевтичної промисловості, оскільки дозволить компаніям цієї галузі заощадити мільйони доларів і роки роботи.
Підходи з використанням ІІ, подібні тим, які використовуються Insilico, задають фармацевтичним компаніям абсолютно нову парадигму розвитку. Біотехнологічні ІІ-компанії, такі як Insilico, процвітають, оскільки інвестори і фармацевтичні гіганти звертають увагу на їх величезний потенціал для скорочення витрат. У 2018 р. в ІІ-стартапів, що займаються пошуком ліків, було інвестовано понад $1 млрд, стверджує Хендріксон.
Новий орган - за кілька секунд
Ще один приклад подвійного дива - нова технологія биопечати. Кожен, напевно, чув (або навіть читав), що вчені навчилися друкувати нові тканини і органи на 3D-принтері. Так от, це - вже технологія вчорашнього дня. Вона вимагає невиправдано багато часу і ресурсів. Нова технологія, винайдена вченими з Швейцарії і Нідерландів, дозволяє друкувати органи буквально за секунди.
Зрозуміти, в чому полягає складність при 3D-друку органів, неважко. Якщо не вдаватися в технічні подробиці, то здебільшого під час 3D-друку (і не важливо, що ви друкуєте - пластикову деталь або орган) матеріал наноситься шарами. Тому це дуже повільний процес. Гірше того, він не дозволяє створювати життєздатні органи з дуже складною внутрішньою структурою.
Команда вчених з Лабораторії прикладних фотонних пристроїв (LAPD) Федеральної політехнічної школи Лозанни і Медичного центру Утрехтського університету винайшла інший спосіб. Про своє досягнення вона розповіла у статті "Об'ємна биопечать складних конструктів живої тканини протягом декількох секунд", опублікованій 19 серпня.
Технологія об'ємної биопечати дозволяє формувати орган одночасно по всьому об'єму. Для цього на обертову трубку, заповнену біосумісним гідрогелю, що містить стовбурові клітини, направляється лазерний промінь. Фокусуючи енергію світла в певних місцях, дослідники формують тканини. Протягом кількох секунд у гелі з'являється складна тривимірна фігура. Потім дослідники вводять у неї ендотеліальні клітини (так називаються клітини, що вистилають внутрішню поверхню кровоносних і лімфатичних судин) для васкуляризації тканини, тобто для створення в ній судинної мережі.
Об'ємна биопечать дозволяє за короткий проміжок часу створювати нові органи, які повністю функціональні і притому персоналізовані. Тобто вони придатні для пересадки саме даному пацієнту і не будуть викликати у його імунної системи реакції відторгнення.
Вчені стверджують, що за допомогою цього методу вони навчилися формувати тканинні конструкції розміром в декілька сантиметрів, що є клінічно корисним розміром. Приклади їх роботи включають тканини серцевого клапана, легеневої артерії, стегнової кістки, меніска колінного суглоба. Більш того, таким шляхом можна будувати різні взаємопов'язані структури.
"На відміну від звичайної биопечати - повільного, пошарового процесу, наша технологія куди швидше і забезпечує більшу свободу дизайну, не ставлячи під загрозу життєздатність клітин", - підкреслює один з авторів роботи Деміен Лотери. І це обіцяє великі зміни у медицині. "Характеристики людської тканини в значній мірі залежать від її дуже складної структури, і здатність відтворювати цю складність може призвести до ряду реальних клінічних застосувань", - говорить інший співавтор, Підлогу Делрот.
Використовуючи цю техніку, лабораторії можуть масово виробляти штучні тканини або органи з безпрецедентною швидкістю. Такий тип тиражування дуже важливий, коли мова йде про тестування нових препаратів in vitro. Це може усунути необхідність тестування на тваринах, забезпечуючи явне етичне перевагу, а також зниження витрат.
Дослідники планують просувати свою інноваційну технологію на ринку. Вироблені за допомогою об'ємної биопечати органи і тканини можна використовувати як для розробки і тестування нових ліків, так і для відновлення пошкоджених тканин і навіть заміни цілих органів в організмі людини.
"Це тільки початок. Ми вважаємо, що наш метод по своїй суті масштабується для масового виробництва та може бути використаний для виробництва широкого спектру моделей клітинних тканин, не кажучи вже про медичних пристроях і персоналізованих імплантатах", - говорить глава LAPD Крістоф Мозер.
Нобелівка за iPS-клітини виправдалася
Говорячи про застосування стовбурових клітин для вирощування органів, не можна не згадати і таке подвійне чудо, як використання з тією ж метою iPS-клітин - індукованих плюрипотентних стовбурових клітин. Плюрипотентными називаються стовбурові клітини, які можуть при розмноженні перетворюватися в клітини майже всіх тканин і органів. Такою здатністю володіють тільки ембріональні стовбурові клітини. У дорослої людини стовбурових клітин мало, витяг їх важко (вони знаходяться в основному в кістковому мозку), і при розмноженні вони здатні перетворюватися на клітини не будь-яких, а тільки деяких тканин і органів.
Індукованими називаються стовбурові клітини, отримані шляхом перепрограмування якихось інших, звичайних клітин, наприклад, клітин шкіри. Професор Інституту передових медичних наук Кіотського університету (Японія) Сін'я Яманака в 2006 р. вперше у світі одержав iPS-клітини, був удостоєний за це Нобелівської премії з фізіології або медицини за 2012 р.
Вчені розробляють все нові і нові методи застосування стовбурних клітин. Правда, випробування нової технології на людях проходять не так вже й часто. Тим примітніше новину про те, що один з таких методів вже в недалекому майбутньому може увійти в лікарську практику, оскільки недавно він успішно пройшов випробування на людині. Йдеться про першу в історії пересадці рогівки, вирощеної з iPS-клітин.
Рогівка (рогова оболонка) є вкрай важливим компонентом очі. Вона грає в оці ту ж роль, яку має у фотоапараті об'єктив: збирає і фокусує світлові промені. Саме тому вихід з ладу рогової оболонки загрожує повною втратою зору.
29 серпня професор Коджі Нішіда з Осакського університету (Японія) скликав прес-конференцію і оголосив, що одна з його пацієнток (ім'я якої не розкривається) стала першою людиною в світі, якій з допомогою iPS-клітин відновили рогівку. Як розповів доктор Нішіда, 40-річна пацієнтка страждала захворюванням, при якому клітини рогівки втрачали прозорість і відмирали. Це викликає спочатку розмитість контурів і об'єктів, а потім і повну втрату зору. Зазвичай для лікування подібних станів використовують донорську рогівку, взяту у недавно померлих людей. Однак, як зазначає газета Japan Times, згідно з оцінкою міністерства охорони здоров'я, зараз у Японії близько 1600 пацієнтів чекають донорської рогівки. Тому в даному випадку лікарі вирішили вчинити інакше.
Щоб вилікувати жінку, Нішіда і його команда використовували iPS-клітини, здатні трансформуватися в інші типи клітин, в тому числі і клітини рогової оболонки. З iPS-клітин вчені виростили нову рогівку, яку і пересадили пацієнтці. Сама операція була проведена 25 липня, на реабілітацію потрібні чотири тижні. За цей час до жінки повернувся зір, і 23 серпня вона була виписана з лікарні. Дослідники продовжать стежити за пацієнткою, щоб спостерігати за ефективністю та безпекою трансплантата. Команда Нисиды вважає, що така пересадка повинна залишатися ефективною протягом всього життя пацієнта.
Як коментує журнал Nature, Японія йде на крок попереду решти світу в схваленні клінічного застосування iPS-клітин. Дійсно, за даними сайту Japan Forward, прорив, досягнутий командою з Осакського університету, став у Японії третім успішним прикладом операцій регенеративної медицини на основі технології iPS-клітин. Раніше такі операції були проведені фінансуються урядом інститутом RIKEN, який у вересні 2014 р. трансплантувала створену з iPS-клітин сітківку 70-річній пацієнтці з вікової макулярної дегенерацією, і Кіотським університетом, який у листопаді 2018 р. використовував iPS-клітини при лікуванні пацієнта з хворобою Паркінсона.
Що ж стосується даного випадку, то ще в березні міністерство охорони здоров'я Японії дозволив докторові Нисиде випробувати процедуру на чотирьох добровольцях. Наступна операція планується на кінець цього року, а відпрацьована процедура, яку можна буде використовувати для повсюдного застосування в клініках, згідно із заявою вченого, повинна з'явитися через п'ять років.
За даними журналу JAMA Ophthalmology, в усьому світі близько 12,7 млн чоловік чекають трансплантації рогівки, при цьому покривається лише одна з 70 потреб. Зважаючи на це, зазначає журнал, особливо важливо розробити альтернативні або додаткові рішення, такі як біоінженерія рогівки. Процедура з використанням iPS-клітин, розроблена японськими вченими, як раз і обіцяє таке рішення проблеми.
Знайшлася заміна стволових клітин
Здавалося б, після стількох років досконального вивчення людської анатомії і фізіології в нашому організмі не повинно було залишитися нічого, що не потрапило на очі вченим-медикам. Однак дослідникам вдається робити все нові відкриття. 26 липня в журналі Nature Communications вийшла стаття вчених з Центру стовбурових клітин і регенеративної медицини Королівського коледжу Лондона, які виявили новий тип клітин печінки. Ці клітини, названі HHyP (hepatobiliary hybrid progenitor), мають властивості стовбурових клітин, при цьому не будучи ними.
HHyP-клітини формуються під час раннього внутрішньоутробного розвитку плода. Як з'ясувалося, вони зберігаються в невеликих кількостях у дорослих людей і здатні диференціюватися в гепатоцити і холангиоциты - два основних типи клітин печінки людини. Раніше вважалося, що властивістю перетворюватися в клітини того чи іншого органу володіють тільки стовбурові клітини.
"Вперше ми відкрили, що клітини з властивостями, як у стволових клітин, існують в печінці людини. Це, в свою чергу, може забезпечити широкий спектр застосування регенеративної медицини для лікування захворювань печінки, включаючи можливість уникнути необхідності пересадки печінки", - говорить провідний автор дослідження доктор Тамір Рашид.
Сьогодні єдиним способом лікування важких захворювань печінки залишається пересадка органу, яка, по-перше, доступна не всім пацієнтам (потребу в донорських органах значно перевищує їх наявність), а по-друге, може з часом призвести до тяжких ускладнень. Відкриття HHyP-клітин відкриває принципово нові підходи в розробці методів лікування. Зараз команда вчених знаходиться лише на початку цього шляху і планує розробити методику відновлення печінки.
Як зауважує сайт ScieNews, наявність HHyP-клітин в печінці змушує припустити, що подібні клітини існують і в інших органах. Якщо це підтвердиться, то оновлення органів (без трансплантації) може стати коли-небудь рутинною справою. Правда, це світле майбутнє настане все ж нескоро.