​Международная группа исследователей из России, Словении, Германии, США и Израиля во главе с учеными из Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток.

С российской стороны в коллектив также входят ученые из Томского государственного университета (ТГУ), Отдела структурной макрокинетики ФГУН "Томский научный центр (ТНЦ) СО РАН" и Сколковского института технологий (Сколтеха). О значимости исследований говорит и уровень публикаций, в том числе в журналах Nature Publishing Group. Ученые работают на стыке наук - там, где физика и химия встречаются с биологией.

Директор Института физики прочности и материаловедения член-корреспондент РАН Сергей Григорьевич Псахье подчеркнул, что примененный учеными подход к созданию наноструктурных агентов для новой противораковой терапии представляет собой лишь одну из возможностей развиваемого в его институте нового научного направления - физической мезомеханики.

- Это направление было сформулировано еще в 80-х гг. прошлого века. Основоположником его был академик Виктор Евгеньевич Панин. Кстати, совсем недавно, 10 ноября, мы отмечали его юбилей. Введение новых терминов и понятий всегда вызывает противодействие, это такой здоровый консерватизм: новые представления должны проходить через цикл острых дискуссий, и мезомеханика не стала исключением. В острых дискуссиях с корифеями она закалилась и завоевала признание в научном мире.

В ее основе лежит многоуровневая концепция, согласно которой при разработке новых материалов необходимо учитывать то обстоятельство, что процессы в них происходят на разных структурных уровнях. Это генерация, движение и аннигиляция дефектов различной размерности, образование, рост, слияние и фрагментация зерен и т.д. Важно, что все эти процессы связаны друг с другом и именно эта взаимосвязь определяет свойства материала, его поведение в различных, в том числе экстремальных условиях. Для придания материалам новых свойств иногда достаточно внести, казалось бы, совсем небольшие изменения в эту иерархию. Таким образом мы можем, например, увеличить усталостную прочность в десятки раз. И такие разработки уже есть.

Говоря проще, мезомеханика - это многоуровневый подход к разработке перспективных материалов, согласно которому материал следует рассматривать как среду, в которой постоянно происходят изменения, причем на всех уровнях, от микро до макро. Все эти уровни связаны друг с другом и, зная характер существующих связей, можно управлять вполне определенными свойствами материала.

Сегодня это научное направление переживает своеобразный бум: практически во всех ведущих странах мира создаются программы, инициативы и научные центры по данной тематике. Это обусловлено тем, что традиционные взгляды почти исчерпали свои возможности и необходимо развивать новые способы управления свойствами материалов. И в основе лежат принципы, когда-то заложенные в Томске академиком В.Е. Паниным. Сейчас этот подход становится общим фактически для всей науки о материалах, и мы в числе лидеров. Именно на этой основе мы разрабатываем самые различные материалы, в том числе для ядерной энергетики, авиакосмической техники, для применения в условиях Арктики.

Многоуровневый подход мезомеханики позволяет развивать и другие направления. Например, совместно с Ракетно-космической корпорацией "Энергия" им. С.П. Королева мы разрабатываем многоуровневый подход в направлении, которое известно как "динамическое моделирование и проектирование конструкций". В этой области многоуровневый подход позволит учесть иерархию внутренней структуры материала при проектировании сложных конструкций и механических систем космических аппаратов. Разработчики получат возможность находить новые конструкторские и инженерные решения. Это направление развивается нами совместно с Томским политехническим университетом и Томским государственным университетом.

Может быть, я увлекаюсь, но должен сказать, что считаю этот подход универсальным и выходящим за рамки науки о материалах. Это почти философский подход, приложимый к разнообразным сложным системам, даже социальным.

Сегодня исследования иерархически организованных структур ведутся по двум направлениям - это так называемые твердые (hard matter ) и мягкие (soft matter) материалы. Сейчас в стадии бурного становления находится новая научная дисциплина - sоft matter science . Она еще не имеет общепринятого названия на русском языке, пока оно звучит как "наука о мягкой материи". Характерно, что для этой научной дисциплины актуальны те же принципы, что и для физической мезомеханики. Но давайте вернемся к биомедицинским приложениям.

Управление структурой материала на уровне с характерным масштабом ниже, чем нано-, т.е. фактически на атомном, показало, что даже, казалось бы, незначительные изменения могут приводить к изменению отклика на макроскопическом уровне, менять свойства наночастиц порой самым неожиданным образом. Это позволило нам разрабатывать наноструктуры для создания противораковых агентов с необходимым комплексом свойств.

Первое направление связано с созданием структуры, получившей название феррилипосома. Она представляет собой пузырек, окруженный мембраной - бислоем фосфолипидов. В этот пузырек по специальной технологии помещались наши наночастицы, полученные с помощью механохимической обработки. Планировалось использовать магнитные свойства наночастиц для так называемого магнитного нацеливания и доставки химиопрепаратов или других лекарственных средств непосредственно к раковой опухоли.

Уже в процессе экспериментов выяснилось, что помимо необходимых магнитных свойств эти частицы вследствие определенных особенностей атомного устройства обладают и уникальными контрастными свойствами. Поведенный в Томске, Словении и США цикл исследований завершился публикацией в журнале Nature Nanotechnology. Об интересе к работе и перспективности полученных результатов говорит, тот факт, что, согласно данным базы данных научного цитирования Web of Science, созданной компанией Thomson Reuter, на эту работу уже сослались более чем в 140 статьях.

- Это был первый этап. Он, как я понимаю, уже пройден. В чем суть того, что вы делаете сейчас?

- В данный момент мы развиваем подход, также использующий возможности атомного проектирования наноструктур: создаем так называемые низкоразмерные наноструктуры различной морфологии. Они представляют собой как бы скомканные листы, толщина которых не превышает нескольких нанометров, и могут быть в форме агломератов, отдельных нанолепестков или декорировать поверхность микроволокон. Особенности атомной структуры поверхности этих наноструктур определяют концентрацию и мощность активных центров. Наши исследования показали, что именно они и ответственны за противоопухолевую активность. Долгое время мы не могли определить механизм подавления жизнеспособности раковых клеток агломератами наших низкорамерных наноструктур.

Важную роль сыграло компьютерное моделирование. Использование полноатомного моделирования методом молекулярной динамики позволило, сопоставляя различные сценарии воздействия на раковые клетки с экспериментальными исследованиями, проанализировать их. В результате мы пришли к выводу, что имеем дело не с химическим, а с физическим принципом воздействия. Дело в том, что активные центры на поверхности нанолистов меняют ионный баланс в приклеточной среде. В результате нарушается функционирование механизмов, определяющих трансмембранные потоки. Раковая клетка начинает испытывать недостаток энергии, она как бы голодает. Поскольку раковым клеткам для обеспечения жизнедеятельности и размножения требуется энергии больше, чем нормальным, то они очень чувствительны к "режиму питания" и плохо переносят его нарушения и сбои, становятся более чувствительными к внешним воздействиям.

Что еще важно: поскольку действие противораковых агентов на основе этих низкоразмерных наноструктур не химическое и не приводит к появлению новых химических соединений, то они безвредны для организма. Наша разработка уже защищена российским патентом, подана заявка на международный патент.

- То есть уже скоро мы будем иметь новое лекарство против рака?

- К сожалению, не скоро - в этой области путь от научного результата до препарата, который можно купить в аптеке, занимает годы. Но если использовать нашу разработку как дополнение к уже существующим лекарствам, сроки можно значительно сократить. Поэтому наши словенские коллеги провели эксперименты, где наши противораковые агенты использовались в качестве дополнительного фактора при лечении стандартно применяемым в противораковой терапии химиотерапевтическим препаратом доксорубицином. Этот препарат, как и другие химиопрепараты, очень токсичен и при лечении онкологических заболеваний отравляет весь организм. В наших экспериментах доксорубицин использовался в минимальных дозах. Эксперименты показали, что даже в случае очень агрессивных форм рака, например при меланоме, предварительное воздействие нашими агентами приводило к кратному повышению эффективности действия стандартного химиопрепарата. Это, безусловно, весьма многообещающий результат, который может быть основой новых стратегий лечения.

- Почему именно Томск оказался в эпицентре этих научных событий?

- Вне всякого сомнения, успехи томских ученых далеко не случайны: ведь в Томске на протяжении уже без малого 90 лет развивается одна из старейших в стране научных школ в области материаловедения, физики прочности и пластичности. Основоположником ее в начале прошлого века был академик В.Д. Кузнецов. Сегодня она развивается Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН как меж- и трансдисциплинарное направление. Нужно подчеркнуть, что это направление активно поддерживается в рамках программ ведущих университетов ТПУ и ТГУ, проектами Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг.". Безусловно, нельзя недооценивать роль и значение международной кооперации с ведущими научными центрами.

Следует отметить, что на протяжении более десяти лет нами в кооперации с учеными из других институтов, в том числе зарубежных академий, выполнялись интеграционные междисциплинарные и международные проекты Сибирского отделения РАН. Проекты были посвящены различным приложениям физической мезомеханики в области прочности, пластичности, химического материаловедения, геодинамики, биологии, информационных технологий, инженерных наук и т.д. Это позволило, опережая время, сформировать прообраз сетевой формы организации научных исследований и выработать новые компетенции, определяющие сегодня конкурентоспособность в области многоуровневого подхода в науке о материалах и разработке материалов с иерархической структурой.

Именно это позволило разработать комплексный план фундаментальных научных исследований по тематике "Перспективные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций", цель которого - повышение эффективности реализации Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук (ПФНИ ГАН) путем создания горизонтальных связей при выполнении госзаданий. При этом государственные задания семи академических институтов, организаций-участников, остаются без изменений.

Повышение эффективности достигается благодаря интеграции ключевых компетенций и ресурсов организаций-участников для выполнения ПФНИ ГАН при сохранении научными организациями статуса юридических лиц и возможностей развития своих уникальных, в том числе междисциплинарных компетенций, а также возможностям создания временных альянсов с организациями-партнерами комплексного плана для формирования и выполнения проектов, грантов, контрактов, ориентированных на вовлечение результатов исследований по направлениям ПФНИ ГАН в реальный сектор экономики РФ.

Источники

Философия новых материалов
Научная Россия (scientificrussia.ru), 13/01/2016

Похожие новости

  • 04/02/2019

    Итоги совместного конкурса РФФИ— Национальный центр научных исследований Франции 2019 г (конкурс НЦНИ_а)

    ​На конкурс было подано 68 заявок. По результатам экспертизы, проведенной независимо российской и зарубежными сторонами, поддержано 19 проектов. Код конкурса: (НЦНИ_а) Совместный конкурс с НЦНИ Франции.
    724
  • 04/12/2018

    Монография, написанная в соавторстве с томскими учеными, опубликована в КНР

    Китайское издательство National Defense Industry Press опубликовало монографию "Технология сверхширокополосного электромагнитного излучения". В числе ее авторов - сотрудники радиофизического факультета ТГУ профессор Виктор Беличенко и доцент Юрий Буянов.
    1154
  • 20/11/2017

    Лазеры объединяют Томск и Беларусь

    ​Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси давно и успешно сотрудничает с российскими научными институтами в области фундаментальной науки и прикладных исследований. В рамках программы Союзного государства сегодня выполняются научные проекты по самым разным направлениям: нанофотонике, физике наногетероструктур, методам оптического зондирования атмосферы, физике плазмы и т.
    883
  • 27/04/2016

    Сергей Салихов: мы будем поддерживать участие российских ученых в международных проектах

    ​На заседании ресурсного комитета ЦЕРН ( CERN ), проходящего в эти дни, обсуждается и вопрос участия России в качестве ассоциированного члена. Накануне мероприятия корреспондент STRF.ru расспросил директора Департамента науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации Сергея Салихова о том, как участие в проектах уровня megascience влияет на развитие отечественного научно-промышленного комплекса.
    1513
  • 22/01/2018

    Бразильские ученые исследуют свойства материалов, созданных в ТГУ

    ​Томский государственный университет и Университет Сан-Паулу (Бразилия) подписали соглашение о сотрудничестве в научном исследовании по получению и изучению новых полимерных материалов. Одним из главных направлений взаимодействия ученых станет работа по созданию модифицированных материалов и покрытий для биомедицины и промышленности.
    1102
  • 11/10/2016

    Алмазы, выращиваемые в ТПУ, могут быть использованы для Большого адронного коллайдера

    ​Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете.
    1921
  • 05/10/2017

    Анатолий Деревянко: «Денисовский человек известен во всем мире»

    Открытие неизвестного ранее вида человека – Homoaltaiensis (человека алтайского), или денисовского человека, сделанное под руководством академика А.П. Деревянко, стало мировой научной сенсацией, которая, по версии журнала Science, заняла второе место по значимости после обнаружения бозона Хиггса.
    2343
  • 25/10/2019

    Василий Ярных: благодаря РНФ наше направление науки развилось в России просто с нуля

    ​Недавно стало известно, что нейробиологи из Томска под руководством профессора Василия Ярных планируют использовать новый подход для исследования повреждений головного мозга у пациентов с болезнью Паркинсона.
    512
  • 04/10/2018

    Адронный коллайдер

    10 лет назад был введён в действие Большой адронный коллайдер - крупнейший в мире ускоритель микрочастиц. Над проектом работали и работают тысячи специалистов, и среди них есть наши соотечественники.
    1023
  • 24/10/2019

    Сергей Ревякин: эффективность в цифрах

    Исследовательская работа — часть любого бизнеса, и на каждом этапе исследования различаются и масштабами, и задачами. Но как вычислить эффект, который они производят? О разных видах исследований, типичных проблемах при их проведении и специфике Росатома рассказывает президент корпоративного и правительственного сектора аналитической компании Elsevier в России Сергей Ревякин.
    144