Ученый Юрий Стебунов — о биосенсорах, лекарствах от рака и уникальности графена
Молодой ученый Юрий Стебунов — о безопасном тестировании лекарств, биомаркерах настроения и мечте о Нобелевской премии.
Каждый год молодые ученые получают премии Правительства Москвы за выдающиеся исследования и разработки в области физики, медицины, биотехнологий, инженерных наук, приборостроения, энергоэффективности и других сферах. Они исследуют космические лучи в эксперименте «ПАМЕЛА», создают кристаллы для биометрических паспортов и микросхемы для проездных, изучают беспроводные сети пятого поколения 5G, разрабатывают отечественную силовую оптику для лазерного оборудования.
Лауреатами премий в 2017 году стали 48 человек. Среди них и Юрий Стебунов — научный сотрудник Московского физико-технического института. Он получил премию за разработку графеновых биосенсоров для медицинской диагностики и фармацевтики. Молодой ученый рассказал mos.ru, как новая технология поможет победить неизлечимые болезни, может ли она стать такой же доступной, как глюкометр, и как биосенсоры выведут электронику на новый уровень.
Юрий Стебунов, научный сотрудник Московского физико-технического института
— Что такое биосенсор?
— Это аналитическое устройство, в составе которого есть какой-то биокомпонент. Чаще всего это поверхность, покрытая слоями различных биологических объектов. Она может взаимодействовать с окружающей средой, улавливать из нее какие-то вещества. Аналогом в природе можно назвать обоняние: у каждого человека есть такой химический сенсор, который позволяет определять, что содержится в атмосфере. Он очень чувствительный: если испарится совсем немного какого-то вещества, можно услышать запах. Например, собаки, которые ищут взрывчатку, используя нюх, делают это точнее, чем аналитические приборы. А раньше в шахтах использовали сенсоры метана — живых канареек (канарейки чувствительны к повышению метана, угарного и углекислого газа: они почти сразу погибают. Для шахтеров прошлого это было сигналом тревоги. — Прим. mos. ru.).
Ключевой элемент биосенсора — поверхность, которая с чем-то взаимодействует. Для плазмонных биосенсоров она включает стеклянную подложку, на которую нанесена тонкая металлическая пленка. Обычно это пленка из золота толщиной 50 нанометров.
— Почему именно золото?
— Нужен инертный металл, а золото ни с чем не взаимодействует и обладает хорошими оптическими свойствами. В таких пленках можно возбуждать электромагнитные волны — именно они будут чувствительны к тому, что происходит на поверхности. Это видно по отражению лазерного луча от пленки. Так мы можем измерять массу молекул, которые на нее прикрепляются.
Как объекты прикрепляются на металлическую пленку? Сейчас чаще всего используют слои гидрогелей. Эти гидрофильные полимеры — один из партнеров в биохимической реакции. Второй находится в растворе рядом с пленкой. Когда они начинают взаимодействовать, мы можем с помощью прибора определить скорость этого взаимодействия.
Самый популярный биосенсор — глюкометр
— Из чего состоит биологический компонент такого сенсора?
— Можно разобрать это на примере. Самый популярный биосенсор — глюкометр, который измеряет количество сахара в крови. Как это происходит? Делается маленький прокол на коже, капля крови наносится на электрод. Он покрыт специальным ферментом, который взаимодействует с глюкозой в крови, и из-за этого в цепи возникает электрический ток. По величине тока можно определить концентрацию глюкозы.
— Значит, выбор биокомпонента зависит от того, что мы хотим найти?
— Да, причем у биосенсора есть две важные характеристики. Первая — это чувствительность, то есть способность обнаружить даже маленькую концентрацию вещества. Вторая — специфичность: поверхность сенсора должна взаимодействовать только с интересующим нас объектом. Если это сенсор метана, то он должен взаимодействовать с метаном, если глюкозы — с глюкозой.
— В чем преимущества вашей разработки?
— В чувствительности биосенсора. Многие лекарства — это низкомолекулярные соединения, и для большинства из них чувствительности существующих приборов недостаточно. Перед нами стояла задача ее повысить. Было два варианта, как это сделать. Первый — изменить конструкцию оптической системы: элементы, лазер, принцип детектирования излучения. Но там все оптимизировано еще лет 30 назад. Вторая стратегия повышения чувствительности — изменить биосенсорную поверхность. Если мы сможем прикреплять на нее больше молекул, то чувствительность повысится.
— Почему вы выбрали именно графен?
— Графен — уникальный материал: его толщина — всего один атом. Из слоев графена, скрепленных достаточно слабой химической связью, состоит пишущий элемент карандашей — графит. Слабость этой связи приводит к тому, что при письме графит расслаивается, оставляя след. Постепенным расслаиванием графита можно получить и графен. Так, с помощью обычного скотча были изготовлены образцы графена, за исследование которых в 2010 году выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову присудили Нобелевскую премию.
Чувствительность графеновых биосенсоров в десятки раз выше, чем гидрогелевых
Мы подумали: нужно использовать этот материал, потому что его толщина самая маленькая. Это значит, что у него большая площадь поверхности, на которую можно прикрепить очень много объектов. А еще графен хорошо взаимодействует с разными биологическими объектами благодаря своим необычным биохимическим свойствам. Мы заменили гидрогели на графен, протестировали и выяснили, что чувствительность прибора возрастает в десятки раз, ведь на поверхность прикрепляется больше объектов. Потом вместо графена мы попробовали его оксид, и это оказалось еще более эффективно, потому что у него лучше оптические свойства.
Когда мы начали тестировать разработку вместе с научными центрами и биотехнологическими компаниями, оказалось, что практически во всех лабораториях, использующих биосенсоры, есть объекты, которые они не могут исследовать просто потому, что чувствительность приборов очень маленькая.
Графеновый биосенсор достаточно универсальный, он может взаимодействовать со всем. Он создан на основе уже существовавшей технологии — поверхностного плазмонного резонанса. Такие плазмонные биосенсоры позволяют не только обнаруживать что-то, что содержится в воздухе или жидкости, но и определять константы химических реакций, которые происходят на поверхности этого сенсора, то есть насколько быстро взаимодействуют молекулы.
— Такие биосенсоры будут дешевле?
— В принципе, цена примерно одинакова. Но если выпускать их большими партиями, то, скорее всего, графеновые будут дешевле гидрогелевых, потому что гидрогели прикрепляют к поверхности золота практически вручную. Что касается графена, сейчас развивается много методов, как его промышленно синтезировать и изготавливать на его основе различные устройства. Это позволит снизить себестоимость. Для научных исследований, и особенно для фармакологических, это не играет большой роли. Но если получится сделать прибор, который можно поставлять в поликлиники и, возможно, даже продавать в аптеках, чтобы люди могли самостоятельно проводить тесты на наличие каких-то заболеваний, то цена будет важнее. Тогда биосенсоры придется изготавливать большими партиями, и то, что для графена можно автоматизировать производство, будет плюсом и снизит себестоимость.
— То есть можно сделать так, чтобы графеновые биосенсоры стали доступны, как глюкометры?
— Теоретически это возможно. Даже есть прототипы. Самый простой и интересный — биосенсор, который работает по такому же принципу, на плазмонном резонансе, и подключается к телефону.
— Где сейчас используются биосенсоры?
— Это очень интересно для биохимии, и такими приборами сейчас оснащены практически все ведущие биохимические лаборатории. А еще это важно для разработки лекарств. Они всегда содержат какой-то активный компонент — химическое соединение. И когда заболевший человек принимает лекарство, это соединение начинает действовать на мишень в его организме. Биосенсоры могут измерить силу взаимодействия лекарства с мишенью, и по этим данным можно определить, насколько лекарство эффективно.
Помимо этого, можно посмотреть, как оно взаимодействует со здоровыми тканями. Например, если мы принимаем лекарство от простуды, оно не должно влиять на печень. А если оно сильно взаимодействует с клетками печени, то может их разрушать, а следовательно, будет для печени токсично. Таким образом, биосенсоры можно использовать и для исследования токсичности лекарств.
— И все это — без тестирования лекарств на людях?
— Да, такие сенсоры используются в лабораториях. Этот метод для разработки лекарств дает принципиально новые возможности. Раньше определяли мишени, с которыми должен взаимодействовать препарат, а эффективность и токсичность изучали во время доклинических тестов на животных и клинических испытаний. Биосенсоры гораздо безопаснее. Если с их помощью правильно сделать анализ, то побочные эффекты можно предсказать еще в лаборатории. Это будет совершенно безопасно и к тому же гораздо быстрее.
Возможно, биосенсоры помогут разработать лекарства от неизлечимых болезней
— Для диагностики каких болезней можно использовать биосенсоры?
— Это определяется свойствами поверхности биосенсора: все вирусные болезни, например СПИД, герпес. В принципе, можно придумать и для рака, но там сложнее: нужно понять, какой биомаркер в организме искать. Если это выяснить, то можно сделать биосенсор для определения этого биомаркера и определять наличие рака у человека. Уже проводят исследования, когда биомаркеры, говорящие о наличии рака, содержатся в выдыхаемом воздухе.
Но наша технология прежде всего для разработки лекарств. Возможно, биосенсоры помогут создать лекарства от неизлечимых болезней.
— Сферы использования биосенсоров будут расширяться?
— Их можно использовать в близких к фармацевтике и диагностике сферах — ветеринарии, контроле качества продуктов питания и окружающей среды. Можно будет определять, есть ли в воздухе загрязняющие вещества. По-моему, во Франции уже использовали биосенсоры, чтобы определять наличие аллергенов в том или ином районе. Для аллергиков, мне кажется, это очень хорошее решение. Если бы у них была карта аллергенов, они бы понимали, что, например, в тот или иной район сегодня ехать не стоит.
Биосенсоры выведут электронику на новый уровень
Мы проводим исследования, чтобы сделать такие биосенсоры более компактными. Сейчас это достаточно большое устройство, предназначенное для лаборатории. Самое маленькое — 50 на 50 на 50 сантиметров. И цены на них очень высокие. Но если мы придумаем конструкцию, чтобы биосенсоры умещались на чипы, тогда сфера их применения кардинально расширится. Их можно будет встраивать в бытовую технику, в смартфоны, компьютеры, в электронику и одежду.
Они смогут, например, сообщать, когда загрязнился фильтр в кондиционере, или сигнализировать, что какие-то продукты в холодильнике испортились. Их можно будет вставить в часы и, анализируя определенные биомаркеры в организме, говорить уже не только о болезнях, но и о настроении человека. Это выведет электронику на новый уровень. Что тогда будет, трудно предсказать, можно только немного пофантазировать на эту тему.
— Графеновые биосенсоры уже есть на рынке?
— Это наша запатентованная разработка. Мы создали компанию, чтобы ее коммерциализировать. Такие сенсоры используют наши коллеги из многих стран, но пока мы их не продаем. Думаю, что в ближайшее время начнем предлагать их как коммерческий продукт, и тогда они появятся на рынке.
— Как думаете, выиграете конкуренцию?
— Пока мы не видели аналогов, предлагающих более высокую чувствительность. Для конкуренции на рынке это неоспоримое преимущество. Но победить в этой борьбе — не самое важное, нам нравится то, что мы в этом участвуем. И если это активизирует работу конкурентов, они смогут предложить продукт лучше и это действительно поможет найти лекарство от рака — мы этому будем рады.
Эта технология поможет улучшить жизнь людей
— Чем вы хотели бы заняться в будущем?
— Я планирую продолжать научное исследование, которым занимаюсь сейчас. Оно еще очень далеко от идеала, я вижу очень большие перспективы — можно изменить, улучшить жизнь людей. И мне хочется работать дальше в этом направлении. Можно заниматься не только самим исследованием, но и его коммерциализацией, потому что так, мне кажется, будет меньше вероятность, что научные исследования останутся незамеченными. И если они превратятся в коммерческий продукт, то работа не пройдет даром.
— Выпускники МФТИ в 2010 году за тот самый графен получили Нобелевскую премию. Вы о ней мечтаете?
— Получить, конечно, мечтаю, но, мне кажется, вероятность этого мала. Это очень значимая награда, и нужно сделать что-то крутое и иметь большую удачу, чтобы ее получить.
— Почему вы решили участвовать в конкурсе на соискание премии Правительства Москвы?
— На премию меня номинировал институт. Естественно, это очень интересно — посоревноваться с другими молодыми учеными, понять, насколько хорошо ты делаешь то, что могут оценить эксперты — серьезные ученые.
Очень приятно ее получить. Это и признание моей работы, и стимул идти дальше. Это значит, что ты занимаешься чем-то нужным и хорошим. И естественно, после получения премии мотивации работать в этом направлении стало больше.
Источник: mos.ru