18 июня 1972 года на пригород Лондона упал пассажирский самолёт «Трайдент» британской авиакомпании ВЕА. Погибли все пассажиры и экипаж, 118 человек. Комиссия нашла причину катастрофы. Сразу после взлёта командир корабля, 51-летний Стэнли Кей, убрал газ и… без сознания свалился на штурвал. В момент удара лайнера об землю он был уже мёртв. Как выяснилось, Кей страдал тяжелой формой атеросклероза, хотя успешно проходил все медосмотры. Как предотвратить подобные ситуации? Об одном из путей предсказательной медицины СОРАН.Info рассказал руководитель лаборатории цитометрии и биокинетики Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН доктор физико-математических наук Валерий Павлович Мальцев.
— Что перво-наперво врач говорит больному, когда тот входит в кабинет? «На что жалуетесь?» Существует множество методов диагностики, обследующих состояние тех или иных элементов организма, начиная от целых органов и кончая нуклеотидами и отдельными генами. Органов у человека около ста, белков и нуклеиновых кислот — до 100 000, и только 8 типов клеток крови. А кровь — это основной транспортёр, в том числе и информационный. Вспомним, что за исследование именно этой функции одного из видов кровяных клеток, микровезикул, в прошлом году была присуждена Нобелевская премия.
Для того, чтобы представить важность исследования именно клеток крови, я прибегну к такой аналогии. Представим комнату, в которой стоит 100 компьютеров, обрабатывающих миллион файлов. Условия таковы, что передача информации между этими машинами идёт только через 8 флэш-карт, а вывод вовне — по единому кабелю. Если внешний оператор, принимающий общие сведения, видит сбой или искажение, то он, естественно, в первую очередь станет проверять не весь миллион файлов, а те, которые в последнее время передавались на флэшках. Это и есть 8 типов клеток крови, а сто компьютеров — наши органы. Соответственно, мы берем один из самых лучших анализаторов, Abbot или, например, Sysmex. Прибор выдаст просто концентрационные данные: сколько в крови тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов, объединяющих 5 типов клеток. Про микровезикулы ничего сказать не могут. По эритроцитам получим ещё характеристики объема и количество гемоглобина в клетках. Но знать концентрации — то же самое, что знать, сколько файлов на флэшке. Для детальной диагностики этого недостаточно. Надо представлять себе типы файлов, их размер, всё про директории и прочее. Так же обстоит с нашими клетками. Например, важный показатель — количество рецепторов на мембране. Ведь информация переносится клетками крови посредством этих самых рецепторов, которые реагируют на внешние раздражители. Другой пример, обмен «кислород-углекислый газ» регулирует мембранный белок Band3 на эритроците. Концентрация этого типа клеток у пациента может быть в норме, но нехватка в них именно Band3 приведет к проблемам с дыханием.
Клетки крови надо исследовать по множеству количественных параметров, которые могут быть статическими и динамическим. Первые можно измерять в нормальных условиях, а вторые проявляют себя только при внешнем воздействии. Один из них — афинность, то есть способность белков-рецепторов клетки «сцепляться» с привносимым белком-информатором, сигнализирующим о враждебном агенте. По простейшей аналогии, ответ на три стука в дверь — это высокая афинность, а на тридцать — низкая. Измерение подобных характеристик с высокой точностью сегодня становится возможным только с использованием физических методов и математического моделирования биологических объектов и процессов. Рассмотрим базовый элемент практически любого современного лабораторного клинического анализатора. Это проточный цитометр. Сегодня его можно встретить в иммунологических, гематологических, иммунохимических, и так далее, анализаторах. Этот прибор — всё равно, что процессор для компьютера. А вокруг него строится то или иное окружение. Сканирующий проточный цитометр, разработанный в нашей лаборатории цитометрии и биокинетики Института химической кинетики и горения СО РАН, мы доказательно считаем опережающим иностранные аналоги минимум на 5 лет. Это подтверждено многочисленными грантами, полученными на конкурсной основе в различных фондах, и большим числом публикаций в высокорейтинговых международных журналах.
Какие задачи удаётся решать с помощью нашего «процессора» и присоединённых к нему конфигураций? Прежде всего, он полезен в области предсказательной диагностики. Так, к нам обратились коллеги из университета Квебека (Канада), обозначившие проблему предсказания преждевременных родов у беременных, хотя бы за 1-3 дня. Известно, что выкидыши в большинстве случаев связаны с дыханием плода, газообмен которого с организмом матери идёт через кровь. Сквозь плаценту эритроциты передают кислород, забирают углекислый газ, а эффективность этого процесса напрямую зависит как раз от второго действия, вывода СО2. Измеряя количество упомянутого выше белка Band3, мы способны оперативно дать рекомендации женщинам, что, кстати, и делали, работая с пациентками одного из новосибирских роддомов. Основная терапия заключается в химическом активировании белка Band3, который может находиться как в «рабочем», так и в пассивном состоянии. И наш «процессор» умеет измерять именно количество активных белков, в отличие от любых других аналогов от мировых производителей анализаторов.
Нашими результатами интересуются сегодня не только медики, но также военные и спасатели. Ведь отбирать на подлодку экипаж, например, следует не только по физическим и психологическим характеристикам. Важно знать эффективность газообмена в легких, а это тоже зависит от содержания Band3. Но не только от него. Важно оценивать морфологическое состояние эритроцитов, например, их эластичность и форму, возможность проходить через капилляры. Кстати, у беременных они бывают сильно сжаты в связи с изменением формы тела, и до плаценты доходят лишь те эритроциты, которые способны сильно «скручиваться».
Возьмём другой тип клеток — тромбоциты. От них зависит свёртываемость крови. Высокий активационный фактор тромбоцитов влечёт предрасположенность к тромбозу, инфарктам, инсультам (перечень далеко не полон), низкий — к гемофилии. В пассивном состоянии тромбоциты плоские, а при активации надуваются и вытягивают псевдоподии, становясь похожими на «ёжиков». Растущее сообщество активных тромбоцитов, цепляющихся друг за друга и за эритроциты, и вызывает сгущение кровяной массы. Но у разных людей в этом процессе задействован разный процент клеток, а главное, у них различная способность к сцеплению. Высокие концентрация, активационный фактор и индекс агрегации тромбоцитов ведут к очень быстрой свёртываемости крови и, как следствие, образованию тромбов. Именно этим, похоже, страдал командир британского лайнера. И напротив, малочисленные, вялые и «нецепкие» тромбоциты характерны для гемофилии. Людей с такой кровью, как вы понимаете, нельзя допускать к рисковым профессиям. И опять же, эти свойства тромбоцитов можно измерить только с использованием нашего «процессора».
Наши технологии защищены российскими и зарубежными (США) патентами. В основе ноу-хау лежит не столько «железо», сколько программное обеспечение и, в свою очередь, его фундамент — математические алгоритмы. Сегодня работающий сканирующий проточный цитометр существует в единственном варианте в нашей лаборатории. Ещё одна установка стоит у нас в полуготовом состоянии, что называется, на стапелях, причём уже два года. По банальнейшей причине — отсутствия не просто должного финансирования, но и обоснования такового. Под программу импортозамещения СО РАН (увы, оставшуюся в прошлом в связи с реформой) мы не подпадали, поскольку она построена так, что один институт должен заказывать оборудование у другого вместо импорта. Наша же установка другим не интересна, а сам для себя оформить заказ ИХКГ СО РАН не может по формальным ограничениям программы. Сейчас наша команда получила один из 90 «сибирских» грантов РНФ, но в нём строго прописано расходование средств: только на фундаментальную науку. Например, на исследование механизма вхождения клеток в апоптоз. Но проблемы развития приборного комплекса этот грант не решает. За последние 2 года нам было выделено всего 1.2 миллиона рублей Сибирским отделением РАН по программе поддержки малых предприятий в научной сфере. А зарубежные компании, тот же японский Sysmex, в свои разработки вкладывают ежегодно сотни миллионов долларов.
Быстрому продвижению мешают и особенности национального инжиниринга. Сегодня это модное слово. Но наши и зарубежные конструкторы работают совершенно по-разному. Закажешь, например, юстировочное устройство, и русский умелец начинает изобретать: вот тут изготовим такую пружину, сюда выточим особый шарик, и так далее. А на Западе конструкторы в прямом смысле слово конструируют, от латинского constructio, то есть составление. Открывают каталоги, ищут компоненты, находят их оптимальное сочетание, сопрягают — и готово. Я общался с нашими инженерами, которые работали на «Боинге» по совместному проекту «Сухой Суперджет»: они говорили, что там иное состояние мозгов, у нас такого просто днём с огнём не сыщешь. Я видел, как работают конструкторы Университета Турку в Финляндии: они не стоят ни у каких кульманов, они слова такого не знают! А в России просто обожают делать что-то оригинальное и уникальное, последнее слово почему-то считается комплиментом. Да, наш сканирующий проточный цитометр сегодня тоже уникален, но разве для этого нужно, чтобы он состоял из штучных колонок, трубок, датчиков и всего прочего? Неповторимым и надёжно защищённым в таких системах должно являться матобеспечение и оригинальное ядро анализатора. Всё окружение и инфраструктура должны быть стандартными и легкодоступными.
Заметим, что отечественное медицинское приборостроение развито крайне слабо. Поэтому следовало бы всё же найти источники финансирования дальнейших опытно-конструкторских работ по сканирующему проточному цитометру и изготовить, как минимум, пять опытных образцов. Для чего? А для того, чтобы вывести исследования из стен академического института и приблизить их к медицинским учреждениям. Методики измерений характеристик крови для оценки рисков конкретных заболеваний, которые должны будут встать на поток, следует дорабатывать и сертифицировать совместно с медиками. Наши последние эксперименты с роддомом показали, что даже простое переливание крови из пробирки в пробирку приводит к существенным изменениям значений динамических характеристик клеток. Диагностика будущего должна двигаться к людям, а не загонять себя в гигантские межрегиональные центры с их анализами фиксированной крови и длительными транспортными воздействиями на ту же кровь.
Разумеется, всю сумму патологий из анализа 8 видов клеток крови «вытащить» не удастся, хотя я считаю это направление самым эффективным. Но ведь клиническая практика предполагает сочетание разных методик, в том числе и в предсказательной диагностике. Параллельно могут и должны применяться обычный биохимический анализ, рентгеноскопия и томография, а также технологии нового века — такие, как геномное прогнозирование предрасположенности к заболеваниям. Но хотелось бы заметить, что оно очень сильно завязано на статистику, на вероятностные модели.
Подготовил: Андрей Соболевский
Фото: 1 — из личного архива В. П. Мальцева, 2,3,4 — Юлия Позднякова
