В новом выпуске ScienceHub мы поговорили с Константином Агладзе, кандидатом физико-математических наук, профессором МФТИ и заведующим лабораторией «Наноконструирование мембранно-белковых комплексов для контроля физиологии клетки» в МФТИ о биофизике, современных подходах к изучению сердца и о том, чем отличаются крысиные клетки от человеческих.
Что такое биофизика
Понятно, что это область соединения двух дисциплин – физики и биологии, то есть когда исследуются объекты биологии, но методами физики. Константин Агладзе предпочитает, чтобы именно физики занимались биофизикой, а не классические биологии, и желательно физики, получившие образование в России или СССР.
Чем же физики могут помочь биологам: изучить тонкие структуры взаимодействия клеток, клеточные ансамбли, понять, как они работают применяя инструменты физики и математики.
Константин Агладзе: «Например, может быть физический подход к популяции. Популяционная динамика описывается как раз нелинейными уравнениями. Это все очень хорошо коррелирует. Например, математический аппарат хорошо коррелирует с тем, который используется для исследования, скажем, процессов в возбудимых тканях (в таких, как сердце и нервная ткань. Небольшая область, которой мы занимаемся в этом – это исследование возбудимых систем. То есть, лаборатория наша называется (она исторически уже получила такое название), наноконструирование белковых комплексов для контроля физиологии клетки. Но на самом деле мы ее попросту называем лабораторией физики возбудимых систем».
В лаборатории Агладзе занимаются конкретно сердечными тканями. Чтобы увеличить продолжительность жизни, и избежать сердечных заболеваний, нужно понимать, как сердце работает.
К. А.: «Что происходит с сердцем? По нему ходят волны возбуждения и заставляют работать очень большое количество клеток как единый ансамбль, прокачивая кровь через организм. Что получается? Эта задача с одной стороны бионически интересна. Есть такая наука бионика, которая берет начало в биологических объектах и старается таким образом сделать узкие объекты. Это само по себе интересно. Посмотреть, как прокачивать очень эффективно вязкие жидкости, например. Но дело не в этом. А посмотреть, почему эта система прокачивающая вдруг начинает сбои давать?»
Электрофизиология
Электрофизиологическое исследование сердца, как направление возникшее более 100 лет назад сейчас получила свое развитие и позволяет понять, как распространяется возбуждение по сердцу. Это стало возможно только после того, как были открыты и разработаны оптические электроопределители волн возбуждения сердца.
К. А.: «Мы ставим электрод на сердечную ткань, и можем увидеть, что волна пробежала под электродом. Но мы-то хотим видеть весь фронт волны. Значит, мы должны поставить много электродов. А если мы хотим увидеть положение фронта в разные моменты времени, значит мы должны поставить не просто гребенку этих электродов, а уже матрицу этих электродов. А если с хорошей разрешающей способностью, то электродов должно быть тысячи».
Какие прорывы были в этой области: 20 лет назад были разработаны красители, которые помогают отслеживать возбуждение в клетке. И параллельно были разработаны камеры, способные увидеть эти флуоресценции. В то же время первые были показаны распространения волны возбуждения, возникновения вихревых волн, позволяющая понять, что концепция вращающих вихрей ведет к внезапной смерти.
К. А.: «Любые попытки многоэлектродной записи нуждались в очень тщательной расшифровке, в некоем домысливании, то есть экстраполяции. И там всегда возникал вопрос, что, может быть, это фантазия экстраполятора. А здесь это стало видимым. То есть, получилось возможным это увидеть».
Второй прорыв был когда научились делать культуру тканей и на ней оптическое картирование. Это дало возможность понять
К. А.: «Всегда возникает вопрос, а может быть волна бежит здесь так, что особенное сердце, а вовсе не потому, что такие проводящие пути? Поэтому нужно было научиться упростить систему. Ее упростили, сделали из нее структуру ткани. И увидели, что там тоже можно увидеть распространение волн и увидеть, почему эти волны под действием каких-то химических веществ теряют стабильность, могут разрываться и образовывать предвестники развивающейся аритмии. Дальше уже наша работа заключалась в том, чтобы мы пошли обратным путем. Мы начали усложнять. Потом возникает вопрос: ну хорошо, все-таки это сердце не изотропно, оно имеет волоконную структуру. А давайте мы посмотрим, что будет, если у нас будет не просто изотропная, а не изотропная среда, то есть клетка выйдет в одну сторону, какие там получатся возможности для распространения возбуждения? Вот над этим мы мучились. Это мы сейчас делаем. Плюс, мы теперь можем делать управляемую трехмерную систему. Пока еще достаточно тонкую. Но все-таки уже не один слой, а несколько слоев клеток, и двигаться в этом направлении».
Будущее в лаборатории «Наноконструирование мембранно-белковых комплексов для контроля физиологии клетки»
Перспективы исследования в следующем – нужен переход на человеческие клетки от крысиных. Конечно, невозможно их просто получить, но благодаря работе Шинья (Синъя) Яманака, который научился делать плюрипотентные клетки из обычных клеток, можно их сделать в таких количествах, чтобы сделать искусственную сердечную ткань, и увидеть, что происходит в именно человеческой сердечной ткани.
К. А.: «С одной стороны, мы понимаем, что есть много общего между крысиным сердцем и человеческим. Если бы этого общего не было, то и биофизики сердечной не было бы. Но дело в том, что есть большая разница. И мы, например, сами, на эту разницу наткнулись. Мой японский аспирант, который делал эту работу, использовал обычный японский диаритмик, дал его в культуру сердечных клеток крысы, чтобы увидеть, что произойдет, он ничего не увидел. И когда мы стали с этим разбираться, выяснилось, что очень широко используемые диаритмики третьего класса будут работать только на человеческих клетках, потому что у них есть специальные ионные каналы, которые блокируются этими диаритмиками. А вот у крыс этих ионных каналов нет. Казалось бы, довольно очевидная вещь, но она получила такое неожиданное подтверждение. То есть, если мы хотим разрабатывать лекарство для человека, мы должны использовать человеческие ткани».
Новые специалисты. Кто это?
Кто должен вообще заниматься этими исследованиями? Константин считает, что скорее физики, имеющие хорошую биологическую подготовку, потому что исследование волн возбуждения – задача очень физическая.
К. А.: «Конечно, экспертиза молекулярных биологов крайне важна. Например, для работы с плюрипотентными клетками и для рутинной работы. Хотя это очень сложный и тонкий процесс. Для дифференцировки их в сердечные клетки нужны грамотные молекулярные биологи в первую очередь. Но для следующего этапа работа с этими сердечными вихрями нужны физики.
Если говорить о специалистах, которые подготовлены для работы в нашей лаборатории, то это вопрос очень непростой. Потому что, если говорить конкретно, скажем, о тех ребятах – моих аспирантах, которые первые будут здесь в физтехе защищаться, это люди, которые занимаются той наукой, которой занимается еще, может быть, десяток человек в мире. То есть, это не широкая аудитория. С другой стороны, это прекрасные специалисты в той же самой флуоресцентной микроскопии, потому что они обязаны были это освоить на высочайшем уровне. Это люди, которые прекрасно работают с компьютеризированными системами сбора информации. И это люди, которые, конечно, рутинно изучили тканевую инженерию. Поэтому везде, где нужны специалисты такого направления, они могут полноценно работать. С другой стороны, у меня есть ощущение, что мы в ближайшее время должны будем доказать, что наш метод крайне эффективен при селекции лекарственных аппаратов. И я очень надеюсь, что тогда он будет просто востребован в большинстве фармацевтических компаний. О чем идет речь? Для этого нужно посмотреть, как работают фармацевтические компании. Поскольку очень сильны были успехи молекулярной биологии и все спускалось на уровень молекулярных машин, то фактически сейчас это все работает на уровне ионных каналов. Возбудимые клетки работают за счет того, что работают ионные каналы. И когда фармацевты что-то отрабатывают, они смотрят влияние вещества на одиночный канал и говорят: «Ну вот, мы блокировали этот канал. Понижаем возбудимость. И поэтому это лекарство будет работать». Это перспектива. После того, как это доказывается на этих экспериментах, одиночных клетках, идут эксперименты на животных».
Нерешенные вопросы:
Основная задача — понять, за счет чего, что происходит, когда возникают разрывы волн, и как ведут себя вихри:
К. А.: «Сейчас совершенно неизвестно, вихри возбуждения, которые являются причиной фибрилляции в конечном итоге, насколько эти волны сами по себе стабильны. То есть, стабилизируются ли они на однородность или они могут стабильно существовать сами, возрождаясь, мультиплицируясь и каким-то таким образом поддерживая свое существование? То есть, многие вещи, связанные с динамикой этих вихрей, еще пока неизвестны в реальности. Поэтому здесь есть еще большое поле для деятельности».
Для любителей видеоформата интервью Константина Агладзе доступно тут.
Автор: JuliaP
