Два сердца в теле и восстановленный «мотор» лягушки. Ученые меняют реальность

Руководитель проектной группы Фонда перспективных исследований (ФПИ) профессор Анатолий Ковтун и (АК) руководитель лаборатории криоконсервации и гипобиоза Института биофизики клетки РАН, кандидат биологических наук Евгений Фесенко (ЕФ) рассказали в интервью «360», как такие эксперименты стали реальностью для российских специалистов.

— Как долго ученые шли к этому достижению?

АК: смотря что взять за точку отсчета. Предположение о возможности успешного замораживания и размораживания млекопитающих Роберт Бойль, физик из Англии, высказал еще в середине XVII века. Рождение современной криобиологии как науки можно датировать сороковыми годами 20-века, когда произошло «переоткрытие» свойств глицерина, и показана возможность сохранения животных клеток.

ЕФ: большинство попыток консервировать органы при отрицательных температурах пришлись на 60-е и 70-е годы прошлого века. Однако все они были неудачными, поэтому это направление фактически было заморожено. Можно отметить только исследование Грегори Фэя (G.Fahy), одного из ведущих криобиологов, который в 1985 году публикацией о криоконсервации эмбрионов инициировал развитие нового подхода к замораживанию — витрификации.

Витрификация — это альтернативная технология криоконсервации, при которой биологические объекты охлаждаются до криогенных температур без образования кристаллов льда. В 2005 году Фэй на криобиологическом симпозиуме сообщил об успешном случае витрификации почки кролика. Почка была доведена до температуры минус 130 градусов, сразу же отогрета и пересажена другому кролику, у которого она функционировала в течение 48 дней. К сожалению, воспроизвести данный результат пока не удалось ни автору, ни другим исследователям.

— В какой момент такими разработками заинтересовался Фонд перспективных исследований?

АК​: очевидная актуальность создания технологии длительного хранения органов с одной стороны и отсутствие результатов в мире по данному направлению — с другой, побудило Фонд перспективных исследований взяться за эту проблему. Основная цель деятельности Фонда — содействие осуществлению научных исследований и разработок, связанных с высокой степенью риска, еще раз подчеркну — высоко-рисковых, для достижения качественно новых результатов в военно-технической, технологической и социально-экономической сферах.

Мы провели семинар, на который пригласили специалистов в области криобиологии со всей России, предложили подготовить предложения по данному направлению и провели конкурс. В этом конкурсе выиграл Институт биофизики клетки Российской академии наук города Пущино Московской области, с которым Фонд заключил в 2015 году договор на реализацию проекта, который и выполняется в настоящее время.

— Расскажите про научные эксперименты в данной области.

ЕФ: структура нашей работы предполагала поиск новых научных подходов к проблеме криоконсервации органов в несколько стадий. На первой стадии мы должны были работать на клетках, потом переходить к тканевой модели, а затем — к органной. При этом исследуемые подходы исходно должны были быть ориентированы на органы.

Давайте начнем сначала — в чем состоит главная проблема криоконсервации? В том, что когда вы переходите через ноль, замораживаете объект, у вас образуются кристаллы льда. Они обладают большим объемом, чем вода, и, соответственно, оказывают повреждающее действие на клеточные структуры. Классическая криоконсервация, развивавшаяся с 40-х годов, заключается, во-первых, в использовании криозащитных соединений, таких как глицерин, этиленгликоль, диметисульфоксид и, во-вторых, в индивидуальном подборе режима замораживания с определенной скоростью охлаждения. Оптимальные режимы замораживания у разных типов клеток отличаются. Поэтому когда мы переходим к ткани или органу, которые составляют разные типы клеток, не удается подобрать универсальный режим замораживания.

Другой подход, который стал развиваться с середины 80-х годов, и о котором уже упоминали — витрификация. При витрификации не образуется отдельных кристаллов. За счет поднятия вязкости раствора, молекулы воды застывают, теряют подвижность и не могут собраться в кристалл. При этом фактически объект начинает себя вести как твердое тело. Проблема заключается в том, что для достижения такой вязкости требуются высокие концентрации криозащитных соединений, и на первый план выходят токсические эффекты. Вместе с тем, мы посчитали этот подход более универсальным и стали его прорабатывать, последовательно двигаясь от клеток к более сложным объектам.

— Какие органы были выбраны для исследований?

ЕФ: в качестве органной модели было взято сердце. Во-первых, потому что среди всех пересаживаемых органов, сердце обладает наименьшим сроком хранения — 4 — 6 часов согласно национальным рекомендациям по трансплантации сердца. Такой срок фактически не позволяет его перевозить, поскольку значительное время, помимо доставки, должна занимать собственно операция. С учетом того, что 90% трансплантаций сердца проводится в Москве и Петербурге огромная часть донорского ресурса просто теряется. Таким образом, для сердца проблема удлинения сроков хранения сверхактуальна.

Во-вторых, функциональное восстановление сердца оценить гораздо проще, чем при использовании других органов. Если оно заработало после процедуры замораживания, то уже вы на верном пути. Потом можно проводить дополнительные исследования, гистологический анализ, электронную микроскопию и так далее. Поэтому мы работали с сердцем лабораторных животных, в частности с сердцем травяной лягушки.

Здесь необходимо пояснить. Люди, не связанные с биологией, полагают, что лягушки в России зимой замерзают, а по весне размораживаются. На самом деле это не так — лягушки зимуют на дне водоемов под слоем льда, где температура постоянно сохраняется на уровне +4 градусов.

— А что происходит с лягушками, когда водоем замерзает полностью?

— АК​: если температура станет отрицательной, то лягушка просто замерзнет и не оживет.

ЕФ: да, в том случае если водоем в результате сильных заморозков промерзает до дна, лягушки погибают. Безусловно, органы травяной лягушки обладают адаптационными механизмами к околонулевым температурам, однако в природе они никогда не замораживаются. Для этого объекта мы адаптировали нашу технологию и получили результат с размораживанием сердца и восстановлением его функциональной активности.

АК: процесс разработки был длительным и включал в себя комплексный подбор компонентов и условий консервации, постепенное увеличение сроков хранения с нескольких минут до часов и далее суток. Самое серьезное достижение — сердце, восстановленное после 45 суток хранения при минус 196 градусах. Это мировое достижение.

— Какие проблемы возникали при процессе размораживания?

ЕФ: если говорить о витрификации, то проблема, с которой сталкиваются при размораживании, заключается в том, что на этом этапе тоже могут образоваться кристаллы, разрушающие объект. Более того, при отогреве они образуются с большей легкостью. Это связано с двухстадийным процессом образования кристаллов. На первой стадии происходит образование затравок кристаллов, на второй — их рост. У этих стадий разные температурные оптимумы. Когда вы нагреваете объект, сначала проходится оптимум роста затравок, затем оптимум роста, поэтому велика вероятность образования кристаллов так называемой девитрификации. В этом заключается одна из сложностей размораживания.

— Как долго могут храниться замороженные органы?

ЕФ: основной процент наших экспериментов был выполнен при сроках хранения, составляющих от одних до трех суток, максимальный — 45. Можно ли хранить дольше и насколько хорошо при этом будет восстанавливаться функциональная активность, еще предстоит выяснить. Пока мы показали принципиальную возможность восстановления органа после длительного хранения. То, что с середины 80-х годов перестали пытаться делать, посчитав невозможным на данном уровне технического развития. Фондом на это был отпущен срок в три года, хотя в независимых рецензиях на нашу заявку эксперты отмечали высокие риски и необходимость удлинения сроков работы до 5 лет.

— Будете ли вы сотрудничать с врачами или представителями других профессий?

АК: разумеется, пока мы говорили о замораживании. Но есть и второе направление — гипотермическое хранение органов при +4 градусах. В рамках обсуждаемой работы было показано, что можно пролонгировать сроки хранения с шести до 24 часов. В качестве объекта исследования в данном случае выступало сердце крысы, а для подтверждения сохранности выполнялась пересадка сердца реципиенту. Эта сложная микрохирургическая операция, требующая соответствующей квалификации.

ЕФ: сердце подсаживали в брюшную полость. Это так называемая пересадка в гетеротопическую позицию, когда орган подсаживается реципиенту не в ту позицию, в которой он находится в норме, а в другую часть тела. В данном случае у реципиента оказывалось два сердца — родное, и пересаженное, в брюшной полости.

Продолжение интервью читайте на сайте «360» 28.06.2018