Как диоксид титана спасет современный мир от средневековых эпидемий, рассказала аспирантка Екатерина Колесова

Не так давно Екатерина Колесова, аспирант второго года обучения кафедры оптической физики и современного естествознания, рассказала на «Ночи науки», почему человек больше не может рассчитывать на антибиотики и где искать им альтернативу, а также приняла участие в Science Slam, где рассказала об участии Университета ИТМО в проекте ЕС по созданию цифровых двойников. ITMO.NEWS пообщался с молодым ученым и выяснил, как антибактериальные системы спасут людей от возвращения в средневековье, когда люди умирали от бактериальных эпидемий и какую роль в разработке антибактериальных структур играет диоксид титана.

Екатерина Колесова

Выступления на «Ночи науки» и Science Slam стали для тебя первым опытом в области популяризации научных достижений. Как было принято решение участвовать в этих мероприятиях?

В аспирантском кругу есть те, кто регулярно принимает участие в таких мероприятиях. Мы с коллегами самостоятельно изъявили желание выступить с докладами, взяли контакты организаторов, рассказали, чем занимаемся, и предложили несколько вариантов докладов. Представители издания «Бумага» решили, что в рамках «Ночи науки» слушателям интереснее будет узнать про антибактериальные структуры, про то, зачем они нужны и как помогут обществу не умереть от бактериальных инфекций. Работа над антибактериальными структурами – тема моей кандидатской диссертации. Я формирую антибактериальные структуры из отдельных компонентов, которые синтезируются у нас в лаборатории, исследую их физические свойства, насколько эффективно данные структуры способны генерировать активные формы кислорода, изучаю, как они взаимодействуют с бактериями.

На Science Slam я участвовала совершенно с другим докладом и рассказывала про инициативу ЕС по созданию цифровых двойников. Это большой проект, который участвует в конкурсе на поддержку от Европейской комиссии. В консорциуме разработчиков – более 200 участников из 32 стран, которые совместными усилиями работают над созданием огромной базы медицинских данных о каждом жителе Евросоюза. Благодаря машинному обучению удастся не только предсказывать и лучше диагностировать болезни, но и эффективнее создавать новые лекарства. Ожидается, что проект поможет спасти многие жизни, а также существенно сократить финансовые потери в системе здравоохранения. Один из блоков проекта называется «Наномедицина», его цель – поиск новых лекарств на основе наноструктурированных материалов, которые помогут значительно снизить побочные эффекты терапии и повысить ее эффективность. В лаборатории «Гибридные наноструктуры для биомедицины» мы разрабатываем различные системы на основе наноматериалов, которые могут применяться для тераностики онкологических заболеваний и бактериальных инфекций. В большом проекте я отвечаю за разработку новых систем для антибактериальной терапии, что входит в задачи, которые планируется решать участникам блока «Наномедицина» в инициативе по созданию цифрового двойника. На Science Slam я рассказала про проект в целом. Надо заметить, Science Slam проходил в рамках Петербургского международного онкологического форума «Белые ночи». Так как мы занимаемся разработкой систем для тераностики онкозаболеваний, нам показалось более актуальным раскрыть эту тему там.  

Устойчивые к антибиотикам бактерии. Источник: shutterstock.com
Устойчивые к антибиотикам бактерии. Источник: shutterstock.com

Какие сегодня есть проблемы с бактериальными заболеваниями? Разве человек не научился с ними бороться?

Сегодня существует несколько типов основных социально значимых заболеваний. Как правило, к их числу относят сердечно-сосудистые, онкологические заболевания и бактериальные инфекции. Много внимания уделяется лечению онкологических заболеваний: мы видим социальную рекламу, усиленно ищем лекарства от рака. Также общество обращает внимание на сердечно-сосудистые заболевания. Пару лет назад были очень популярны способы определения таких болезней по симптомам, которые может заметить любой человек. В случае с бактериальными инфекциями у человечества сложилось устойчивое мнение, что люди нашли лекарство – антибиотики, которые всегда помогают. Сейчас мы вступаем в такое время, когда антибиотики перестают помогать, причина – устойчивость к антибиотикам.  Появляется все больше бактерий, которые устойчивы сразу к нескольким видам антибиотиков.

Откуда появляется устойчивость к антибиотикам у большого количества людей?

Зачастую люди сами виноваты, потому что принимают антибиотики бездумно – в качестве профилактики, или же медикаменты неправильно назначают врачи. Многие также лечат детей, у которых не сформировался иммунитет, антибиотиками при первых симптомах простуды. Большинство людей не знают, что проблема устойчивости к антибиотикам представляет серьезную угрозу для организма. Люди привыкли думать, что пневмония не может никого убить, мы же не в Средние века живем, когда крыса могла стать причиной смерти половины города. Сегодня можно заметить пропаганду правильного употребления антибиотиков, и это неслучайно.

Насколько серьезно на эту проблему обращает внимание профессиональное сообщество?

В прошлом году Всемирная организация здравоохранения впервые выпустила список из 12 патогенных бактерий, которые угрожают здоровью человека. Бактерии разделены на три степени опасности, все они устойчивы сразу к нескольким видам антибиотиков уже прямо сейчас. Так, золотистый стафилококк, который окружает нас везде, и треть из нас – его носители, устойчив к семи видам антибиотиков сразу, причем его устойчивость проявляется по отношению ко всем новым антибиотикам, которыми его стараются уничтожить. Для проявления устойчивости к антибиотику этой бактерии нужно лишь четыре года. На каждый новый антибиотик бактерия вырабатывает новую устойчивость.

Если мы не хотим вернуться к ситуации, когда человек страдает от эпидемий бактериальных болезней, что нужно сделать?

Нужно изобрести альтернативу антибиотикам. Мы занимаемся на кафедре разработкой новых антибактериальных систем на основе наночастиц оксидов металлов, в частности, я занимаюсь диоксидом титана, наночастицы которого генерируют активные формы кислорода и способны разрушать ДНК бактерий. К такому механическому уничтожению бактерия не сможет адаптироваться.

Оксиды металла используются в различных мазях, например, в цинковой мази или в мазях против ветрянки. Другими словами, человечество давно знает о наночастицах оксида металлов и использует их с давних времен. Однако в случае с диоксидом титана, как и с многими другими оксидами металлов существует некоторая особенность: генерация активных форм кислорода происходит только под действием излучения и диоксид титана поглощает только ультрафиолетовое излучение, которое по своим свойствам не очень полезно для организма человека, так как обладает стерилизующими свойствами и уничтожает здоровые клетки в том числе. Моя задача – создать систему, которая бы динамично генерировала активные формы кислорода под действием видимого излучения, безопасного для организма человека. Для достижения этой цели мы используем полупроводниковые квантовые точки, которые синтезируются у нас в лаборатории (мы можем синтезировать достаточно широкий спектр квантовых точек, отличающихся и химическим составом, и размером). Данные квантовые точки эффективно поглощают видимое излучение, после чего происходит перенос электрона от квантовой точки к наночастице диоксида титана, которая генерирует активный формы кислорода, способные уничтожить бактерию.

Как может выглядеть конечный продукт, созданный с использованием разработанных структур?

Сейчас мы работаем над созданием покрытий, которые за достаточно короткое время убивают порядка 60 % бактерий, которые мы на них высаживаем.  Такое покрытие можно будет наносить на стены. Например, золотистый стафилококк является штаммом госпитальных бактерий, он очень распространен в поликлиниках и родильных домах, где половина персонала является его носителями. По правилам раз в пять лет роддом надо закрывать и открывать новый, но с экономической точки зрения это невозможно. Сегодня раз в пять лет роддомы закрывают на мойку, однако было бы здорово покрыть стены здания краской со стерилизующими частицами, которые за ночь самоочистились бы, уничтожив бактерии.

Золотистый стафилококк. Источник: shutterstock.com
Золотистый стафилококк. Источник: shutterstock.com

Разновидностей конечного продукта несколько. Это может быть краска, покрытие, условный пластырь, который можно нанести на рану, а он будет взаимодействовать с ней. Также можно вводить частицы внутривенно. Сейчас мы работаем над созданием системы, в которой квантовая точка будет ядром, а сверху она будет покрыта оболочкой диоксида титана. Частицы в таком случае будут маленькими, и их можно будет вводить в систему кровотока. Однако в этом направлении еще предстоит решить ряд ключевых вопросов, таких как биосовместимость, стабильность физико-химических свойств, пути биодеградации и выведения из организма, которые являются общими не только в отношении наноструктурированных материалов, но также и органических соединений при их взаимодействии с живыми системами. Поэтому нам предстоит пройти долгий путь до того момента, как будет создана система, которая сможет использоваться в клинической практике в качестве антибактериальных лекарственных препаратов.

Сегодня многие научные группы в мире занимаются созданием антибактериальных структур? Многие движутся в том же направлении, что и вы?

Антибактериальные покрытия создаются достаточно активно. Если мы говорим про диоксид титана, то его применяют в пищевой промышленности – делают покрытия для листьев салата, есть также эксперименты с самими бактериями. При работе над проектом мы как физики столкнулись с определенными проблемами, например, с неполным представлением о том, как работают бактерии. Это является общей проблемой, когда приходится решать междисциплинарные задачи. Поэтому, осознав на собственном примере недостаток образования в таких областях, как химия, биология, физиология, в этом учебном году мы открываем новую специализацию в бакалавриате «Гибридные структуры для биомедицины», в рамках которой студенты смогут прослушать курсы по данным направлениям, а также получить самую актуальную информацию по применению современных микроскопических методов анализа и исследования биологических объектов и использования физических методов в диагностике и терапии заболеваний.  Мы надеемся, что курс поможет вырастить кадры, которые смогут эффективно взаимодействовать с биологами и медиками при решении междисциплинарных задач при создании лекарственных препаратов нового поколения. На протяжении последних трех лет мы активно взаимодействуем с Институтом цитологии РАН, с лабораторией профессора Елены Корниловой, что существенно помогло нам в решении наших задач. Конечно, существуют публикации по направлениям, которыми занимается наша лаборатория. Однако со статьями есть сложность. Статьи делятся на два направления: одни посвящены описанию создания структур, а другие – анализу того, как созданные структуры взаимодействуют с бактериями. Авторы статей обычно не работают в связке, поэтому одни не понимают, что делают другие. Мы же хотим пройти путь целиком от создания структур до полного видения того, как именно они взаимодействуют с бактериями. Квантовые точки сейчас активно применяются в гибридных структурах, но, к сожалению, не достигнута та эффективность, которую от них изначально ожидали. Мы считаем, что в этом случае проблема связана не с потенциалом квантовых точек, а с тем, что специалисты не вникают в физику процессов. В случае с гибридными структурами на основе диоксида титана их эффективность под действием света видимого диапазона связана с процессом фотоиндуцированного переноса электрона. Нам как физикам интересно оценить эффективность этого процесса и найти пути увеличения его эффективности. Мы хотим пройти полный цикл: создать структуру, понять, как химически ее можно изменить, как можно оптимизировать архитектуру, самостоятельно оценить эффективность ее работы и затем переходить к тестированию эффективности наших систем на бактериях в реальных условиях. Интересно отметить, что несмотря на популярность антибактериальных систем на основе диоксида титана и квантовых точек, сегодня отсутствуют комплексные исследования, которые позволили бы ответить на вопрос, что именно надо менять в данных системах для достижения максимальной эффективности, которая предсказана теоретически.

Выступление Екатерины Колесовой на «Ночи науки». Источник: социальные сети
Выступление Екатерины Колесовой на «Ночи науки». Источник: социальные сети

Как долго ты занимаешься этим исследованием? Почему ты выбрала именно это направление среди прочих?

Этим исследованием я стала заниматься еще в магистратуре, сейчас я работаю над ним уже четыре года. У нас ведется работа по многим направлениям, среди которых молодой ученый может выбрать наиболее интересное ему. Так, мои коллеги занимаются исследованием хиральности, в сфере биомедицины можно было пойти по направлению фотодинамической терапии, где разрабатываются лекарства на основе гибридных структур с квантовыми точками. Также активно занимаются системой на основе магнитных наночастиц, которые с помощью магнита можно будет привести к месту опухоли, осуществив адресную доставку, там их нагреть, и они смогут уничтожить клетки рака. Есть сенсорные направления, исследуются гибридные структуры на основе графена. В Центре «Физика наноструктур» есть лаборатория, которая занимается металлическими наночастицами и плазмонными эффектами, другая лаборатория занимается жидкими кристаллами. Спектр сфер деятельности действительно широк. Изначально я, хоть и работала с диоксидом титана, сфера применения структур была другой – солнечные батареи. В какой-то момент меня потянуло в медицину и больше захватило социальное значение потенциального продукта. Мне кажется, вылечить человека важнее, чем усовершенствовать устройство солнечной батареи. Переориентация на медицинскую сферу случилась в тот момент, когда открылась лаборатория «Гибридные структуры для биомедицины». Тогда направленность всех исследований под руководством Анны Орловой сменила вектор в сторону биомедицинских применений наноструктурированных материалов. Я и раньше старалась углубиться в медицинскую область, и участие нашей лаборатории в инициативе ЕС по созданию цифровых двойников, надеюсь, поможет ускорить мою работу.

После выступлений на научно-просветительской лекции и в научном баттле твое отношение к популяризации научных достижений как-то изменилось?

Я считаю, популяризация науки  очень важное дело. Возможно, слушатели «Ночи науки» не до конца понимали, чем я занимаюсь, но они обеспокоились проблемой эпидемии и интересовались, что нужно сделать для предотвращения беды. Такими лекциями, надеюсь, мы можем добиться хотя бы небольшого изменения в отношении человека к антибиотикам. Мне было непросто перестроиться с научной терминологии на научно- популярную. Больше внимания на лекции «Ночи науки» я уделяла тому, почему важно то, чем я занимаюсь, ведь слушатели не обязаны понять, что я делаю, они не физики. Я объяснила, что если мы не начнем разрабатывать антибактериальные системы, то мы вернемся в каменный век. Мне понравился опыт выступления на такого рода мероприятиях тем, что ты вынужден придумывать интересные примеры и метафоры, которые в дальнейшем можно использовать и в научной области, что важно.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба