Балтийский федеральный университет сегодня является крупнейшим учебным заведением области и основным научным центром. Однако научная деятельность его исследователей часто остается за кадром. В рамках партнерского проекта с БФУ им. И. Канта «Новый Калининград» решил рассказать, чем занимаются шесть наиболее ярких ученых университета и как их исследования могут изменить жизни людей.
Как вылечить рак мозга?
В апреле 1955 года патологоанатом Томас Харви проводил посмертное вскрытие тела физика Альберта Эйнштейна. В ходе процедуры он извлек мозг ученого, сфотографировал его, потом поместил в формалиновый раствор, а затем разрезал на несколько сотен кусочков, которым делился с исследователями. По одной из версий поступок патологоанатома стал причиной его увольнения из Принстонской больницы.
Почти через 30 лет после вскрытия тела Эйнштейна исследователь Мэриан Даймонд в своей работе показала, что число нейронов в мозге гения примерно соответствовало среднему значению, но у физика оказалось значительно больше в мозге так называемых глиальных клеток.
Название этих клеток возникло тогда, когда микроскопы не имели сегодняшних возможностей. Глядя на ткань мозга, казалось, что она как будто склеена каким-то веществом. Когда появились методы окраски нервных клеток, изображение стало четче, и выяснилось, что помимо «крупных» клеток (их называли нейронами), существуют и другие, многочисленные и более мелкие клетки, которые назвали в честь звезд (astrae) из-за визуальной схожести. Так появился термин астроциты.
Исследованием этого вида глиальных клеток сегодня активно занимается приглашенный профессор Института живых систем БФУ им. И. Канта из Университета Бристоля Сергей Каспаров. «Эти клетки давно известны, но были сиротками в нейронауках. Все изучали нейроны, основные клетки мозга, которые обрабатывают информацию, а астроциты по возможности игнорировали. Но функции, которые связаны с астроцитами, фундаментальны. Если нейроны отмирают, то функция мозга нарушается. Но благополучие нейронов практически на 100% зависит от функций астроцитов. Если астроциты не исполняют свои функции элементов поддержки, то никакие нейроны функционировать нормально не могут», — рассказывает Каспаров.
Приглашенный профессор Института живых систем БФУ им. Канта из Университета Бристоля Сергей Каспаров.
В феврале 2020 года Каспаров с коллегами опубликовал в журнале Nature Communications статью, в которой показано, что астроциты регулируют проток крови в сосудах мозга. По словам профессора, в мозге есть целая система, позволяющая ему определить, насколько хорошо он снабжается кровью. В этой системе ключевую роль играют астроциты. Если они чувствуют, что «давление в системе» падает, в самом мозге включается механизм, который повышает системное артериальное давление и частоту сокращений сердца, улучшая таким образом доставку крови к мозгу. Это открытие дает надежду найти решение проблемы многих страдающих от повышения артериального давления людей по всему миру, поскольку до сегодняшнего дня не существует стройной теории возникновении этой болезни.
Вместе со своими аспирантами Олегом Можеем и Александром Васильевым Каспаров работает над проблемой лечения рака головного мозга (95% заболевших умирают в течение трех лет). Эта тема связана с изучением астроцитов, поскольку наиболее злокачественные из этих опухолей, глиобластомы, происходят из мутировавших астроцитов. Ученые БФУ им. И. Канта уже научились синтезировать генетические конструкции и доставлять их в клетки опухоли. Эти конструкции могут оказывать положительное влияние на опухоль. Другим направлением является применение так называемой фотодинамической терапии, то есть разрушения клеток опухоли с помощью специальных веществ, поглощающих фотоны света.
Также Каспаров планирует построить на базе Института живых систем «фабрику» по производству клеточных линий для современной фармацевтики. «Наиболее распространенным способом исследования фармпрепаратов являются клеточные линии. Для этого они генетически модифицируются под определенную задачу. Если кому-то, например, нужно изучить воздействие новых фармакологических агентов на клетки мозга или печени, мы можем их сделать», — рассказывает профессор.
По его словам, обычные клетки, выделенные из различных тканей, умирают через несколько дней (максимум — 3-4 недели), но клеточные линии, которые культивируют ученые из БФУ им. И. Канта , бессмертны. За один день на такой линии можно протестировать сотни препаратов и настроить систему контроля результатов. Чаще всего для тестов используются оптические методы регистрации биологических процессов. «Например, если вещество проявляет активность, то клетки начинают флуоресцировать зеленым светом, а если нет, то остаются темными. Сканер это читает в сотнях образцов одновременно, и результаты сразу выходят в цифровой форме», — объясняет Каспаров.
В ближайшем будущем приглашенный профессор БФУ им. И. Канта намерен создать малое инновационное предприятие на базе университета и начать предлагать свои услуги фармацевтическому бизнесу и исследователям.
Просветить всё
В ноябре 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген открыл икс-излучение, а через два месяца сделали исторический рентгеновский снимок кисти руки. Это был первый случай прижизненной визуализации части скелета человека без разрезания тканей.
Появление рентгеновского излучения позволило совершить прорыв не только в медицине, но и в биологии, химии, геологии и других научных областях. Со временем исследователям удавалось создавать пучки излучения все ярче и уже, а значит исследовать структуру молекул непрозрачных предметов точнее.
Сегодня материалы «просвечивают» в специальных зданиях-приборах круглой формы — синхротронах. В кольце диаметром в сотни метров электроны разгоняют до скорости, очень близкой к скорости света, что позволяет получать рентгеновское излучение в триллионы раз ярче производимого обычной рентгеновской трубкой.
На одном из таких синхротронов во французском Гренобле 20 лет проработал профессор Анатолий Снигирев. Когда-то он заканчивал калининградскую школу № 32 с физико-математическим уклоном, а в 2014 году присоединился к команде Балтийского федерального университета. За несколько лет Снигирев с коллегами за счет средств мегагранта (25 млн руб. ежегодно в течение 5 лет) оборудовали и запустили в корпусе НТП «Фабрика» лабораторию рентгеновской оптики и физического материаловедения, которая начала проектировать и производить оптику для синхротронов. Со временем лаборатория переросла в международный научно- исследовательский центр «Когерентная рентгеновская оптика для Мегасайенс» и была поддержана президентской программой Российского научного фонда (32 млн руб. в год) с возможностью последующего продления до 2022 года.
Сегодня в России есть два работающих синхротрона, и оба устаревшие: один в Курчатовском институте в Москве 1999-го года постройки и в Новосибирске — модернизированный образец 1973 года. Первый имеет эмиттанс (ширину пучка) 98, второй — 292 нм×рад. У Гренобльского, построенного в 1994 году, для сравнения, — 4 нм×рад.
Российские ученые имели доступ к синхротрону в Гренобле, но в связи с его высокой загруженностью исследованиями и желанием построить современный синхротрон на российской земле в июле 2019 года президент Владимир Путин подписал указ о мерах по развитию синхротронно-нейтронных исследований в России. Было решено построить синхротрон СКИФ поколения 4+ в Новосибирской области, еще один объект — во Владивостоке на острове Русском, и модернизировать Курчатовский источник излучения в Москве.
Стоимость СКИФа оценивалась в конце 2019 года в 37 млрд руб. Команду Снигирева подключили к созданию так называемой транспортной магистрали пучка электронов — тракта из приборов и линз, по которому луч доводится до исследуемого предмета. По оценкам профессора БФУ им. И. Канта, на строительство «транспорта» для пучка приходится примерно 30% стоимости синхротрона. Из них 20% — это оптика, которой непосредственно занимается группа Снигирева. На 2020 год запланировано проектирование синхротрона, а к 2021 году должны начаться строительные работы.
«Мы будем участвовать в проекте с момента проектирования оптической концепции экспериментальных станций до изготовления компонентов. Сейчас создаем устройства на основе алмазов, потому что у алмаза высокая температура плавления и пучку тяжело его разрушить», — объясняет Снигирев.
Центр участвует не только в российском проекте, но также предлагает свои разработки европейским синхротронам. Исследовательский центр в Гамбурге уже приобретал у университета линзы, но основная работа с европейцами запланирована на этот год. Сейчас тестируется трансфокатор, сделанный калининградскими исследователями для гамбургского синхротрона.
Как победить старение?
С ростом продолжительности жизни человека на земле этот вопрос становится одним из ключевых для человечества. Само по себе старение — сложный и многоаспектный процесс. Одной из его составляющих являются болезни, которые с возрастом появляются у людей. Над решением задачи предотвращения появления таких заболеваний работает приглашенный профессор БФУ им. И. Канта из Политехнического университета Лозанны Константин Попадьин.
В клетках человеческого организма есть небольшие органеллы, митохондрии. Они генерируют энергию, поэтому их также называют батарейками клетки. Митохондрии имеют свой геном, который отличается от ДНК, заключенной в ядре клетки, и он передается только по материнской линии. То есть геном митохондрий детей у одной семейной пары будет всегда материнским. «Он живет по другим правилам, нежели ядерный геном. Он намного быстрее ломается, мутирует и достаточно важен для возникновения многих болезней. Особенно для болезней, связанных со старением», — рассказывает Попадьин.
Приглашенный профессор БФУ им. И. Канта из Политехнического университета Лозанны Константин Попадьин.
Старение приводит к нарушению функций мозга и сокращению тонуса мышц. Причиной этого является дегенерация нейронов и мышечных клеток. А она происходит из-за мутаций в геноме митохондрий. «Кусок генома может исчезнуть. Мутант с маленьким кружком-геномом имеет свойство быстрее размножать себя внутри ткани нашего организма. Эгоистичный мутант не заботится о жизни хозяина, то есть о нашей. Он заботится о том, чтобы победить внутри клетки. В финале клетка умирает», — объясняет Попадьин.
Команда приглашенного профессора БФУ им. И. Канта в своих работах отвечает на вопрос, почему отдельным группам людей присуще более здоровое старение, чем остальным. Жители Европы, Африки и Японии имеют заметные различия в геноме митохондрий. В частности, генетики выделяют отдельную гаплогруппу японцев (D4A), которые живут значительно дольше остальных соотечественников. Для этой группы характерна большая прочность генома митохондрий, который реже «ломается» и мутирует. Накопление мутаций в геноме по сути и является одним из определений старения.
«Мы можем использовать эти открытия в митохондриальной медицине будущего: митохондрии здоровых людей пересаживать к больным. Например, используя митохондрии из гаплогрупп, защищенных от болезней, связанных со старением», — говорит Попадин.
Митохондриальная медицина сегодня сталкивается с этическими вызовами и законодательными ограничениями. В отдельных странах, в том числе и Великобритании, уже разрешается менять митохондриальный геном у женщины, если у нее доказана вредная мутация и высок риск развития опасной болезни у ребенка. В таком случае делается митохондриальная донация в яйцеклетку от здорового донора. Так как геном ядра остается материнским (вводится только донорский геном митохондрий), такую процедуру называют «ребенок от трех родителей».
Есть страны с более мягкими этическими ограничениями, где введение генома донорской митохондрии можно делать для «омоложения яйцеклетки».
В России на сегодняшний день подобные процедуры запрещены, но идут консультации о возможности проведения корректировок генома митохондрий по британской модели, рассказывает Попадьин.
Получить революционное лекарство
Разработка новых лекарств является одним из приложений современной науки с наиболее ощутимым эффектом. Чтобы инновационное лекарство попало на полку в аптеке, оно должно пройти долгий путь испытаний: сначала доклинических (на животных), а потом клинических (с участием пациентов). До 2017 года Калининградская область не участвовала в процессе вывода на рынок новых лекарств, но в декабре этого года Центр клинических исследований Балтийского федерального университета им. И. Канта получил аккредитацию Минздрава РФ и стал полноценным участником международных проектов по изучению эффективности и безопасности инновационных лекарств.
Возглавляет центр воспитанник смоленской школы клинических клинической фармакологии профессор Владимир Рафальский, который по приглашению университета приехал в Калининградскую область в рамках проекта 5-100 и начал создавать подразделение БФУ им. И. Канта, занимающееся клиническими исследованиями. «Благодаря нашим исследованиям врачи имеют возможность поработать с теми лекарственными препаратами, которых сейчас нет в аптеках нигде в мире. Получить опыт — очень важно. Пациенты же получают доступ к эффективной терапии. Спустя 5-8 лет эти лекарства, конечно, попадут в аптеки, но будут стоить колоссальных денег», — рассказывает Рафальский.
Как правило, калининградский центр участвует в крупных международных исследованиях препаратов, которые проводятся одновременно в 20-40 странах. В Центре клинических исследований БФУ им. И. Канта проводятся исследования инновационных лекарств для лечения сахарного диабета, болезни Крона, анемии при хронических заболевании почек и резкой потери веса при онкологии. В ближайшее время планируется открыть набор пациентов в исследования по ожирению, хроническому вирусному гепатиту и анкилозирующему спондилоартриту.
В среднем в программах тестирования одного препарата допускается участие в Калининграде 6-8 пациентов. Всего за время работы центра терапию смогли получить порядка 100 человек. «Сейчас в нашем центре мы работаем с уникальным препаратом, который, по сути, произвел революцию в области терапии аутоиммунных заболеваний. У тестируемого препарата эффективность превышает эффективность большинства существующих лекарств, например кортикостероидов, а безопасность и переносимость во много раз лучше. Это препарат, который можно принимать десятилетиями без риска развития серьезных осложнений, — рассказывает Рафальский о работе над препаратом для лечения ревматических заболеваний и болезни Крона. — После курса терапии препаратами данной группы нередко можно услышать от пациентов достаточно эмоциональные высказывания — „Я как новый человек. Меня ничего не беспокоит“. И действительно, очень часто мы видим быстрое клиническое улучшение. Причем это лекарство нигде не продается».
Помимо непосредственно клинических исследований команда Рафальского занимается фундаментальными научными разработкам. Сотрудники центра работают в рамках двух грантов, выделенных Российским научным фондом, над изучением проблем применения аспирина страдающими сердечно-сосудистыми заболеваниями. Первое исследование касается определения причин того, почему аспирин по-разному действует на пациентов. Второй проект посвящен решению проблемы соблюдения режима дозирования аспирина больным.
«Аспирин страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями назначается пожизненно. Если человек перестает его принимать, он попадает в зону риска. Поэтому врачу нужен инструмент, позволяющий оценить вероятность эффективности терапии аспирином у конкретного больного, а с другой стороны, объективно оценить соблюдение пациентом предписанного режима дозирования», — объясняет Рафальский. Его команда ставит себе задачу в скором будущем разработать методики, позволяющие решить эти проблемы. Это позволит избежать серьезных осложнений при лечении огромного количества людей по всему миру.
Вдохнуть разум в химию
В 1951 году советский военный химик Борис Белоусов смешал в своей лаборатории несколько химических соединений. Раствор в стакане начал циклически менять цвет — от бесцветного к желтому и обратно. До этого считалось, что колебательная реакция в химии невозможна. Древесина сгорает необратимо, железо тоже не может заржаветь, а потом самостоятельно избавиться от ржавчины. Ученый описал полученную реакцию, но 8 лет не мог опубликовать статью ни в одном научном журнале, так как ее не принимали из-за противоречия одному из основных положений термодинамики.
Слухи об эксперименте передавались в советском сообществе химиков из уст в уста. Однажды ученому из Московского университета Симону Шнолю после долгих поисков удалось связаться с Белоусовым через племянника и взять рецепт химической реакции (работать совместно Белоусов отказался). Потом он поручил своему аспиранту Анатолию Жаботинскому подробно изучить реакцию, и тот воспроизвел работу Белоусова и смог опубликовать ее результаты в академическом журнале. Так появилась одна из наиболее известных реакций в современной химии, которая сделала возможным создание химического компьютера.
Впервые Жаботинский покинул пределы Советского Союза в 1968 году для выступления на биофизическом конгрессе в Праге. Там он привлек внимание мирового научного сообщества к открытию Белоусова. После развала союза Жаботинский переехал в США, где работал в бостонском университете Brandeis. Там же в одной группе с Жаботинским занимался исследованиями ученый Владимир Ванаг, который сегодня в Балтийском федеральном университете им. Канта работает над идеей построения химического компьютера.
В Калининград Ванаг приехал в 2012 году, когда БФУ им. И. Канта получил статус федерального университета и у него появились средства на создание новых лабораторий. В США ученый уехал в 1998 году после дефолта. «Тогда моей семье нечего было кушать и было просто нужно зарабатывать. Там лучшее место для работы, но жить — нет. Ты там все равно чужой. За 15 лет как-то накопилось. Мы — русские. И я вернулся», — вспоминает Ванаг.
До переезда в Штаты химик был москвичом, но в столице все лаборатории оказались заняты. В Архангельск не хотелось, потому что слишком холодно, на Дальний Восток — потому что слишком далеко, а на юг России — из-за специфики менталитета. Поэтому Ванаг принял приглашение калининградского университета о создании лаборатории. «В Калининграде дух такой же примерно, как в Бостоне. Люди сдержанно-деловые», — объясняет профессор.
Сегодня в центре нелинейной химии, расположенном в немецком кирпичном здании на Боткина, рядом с областной клинической больницей, работают шесть человек.
«Я увидел приложение теории в сетях микроосцилляторов, которые похожи на сети нашего мозга, и захотел сделать сеть типа сети мозга, которая повела бы себя разумно. Простая химия ведет себя разумно. Это многих пугает, а меня и пугает, и радует. В прошлом году мы сделали небольшую сеть, которая адаптируется к внешним сигналам. Сигнал изменился — и ритм сети меняется. Это мы называем адаптивным поведением», — объясняет Ванаг.
В мире над идеей создания химического компьютера работают несколько групп ученых. Есть центры, которые занимаются этой проблемой, в Англии, Германии и в Польше. На практике конечным результатом работы может оказаться разумное существо размером с маленького жучка, которое в одиночку или в составе группы сможет по указанию человека, например, проникать в живые организмы и лечить их.
Пока же Ванаг со своими калининградскими коллегами решает задачу наделения химической сети разумом. «Самое ближайшее, что мы хотим, — это научить сеть думать. Мы не можем писать формулы, как математики. Все должно происходить само собой на химическом уровне», — говорит профессор Ванаг. Если у него получится, то мировая наука на шаг приблизится к пониманию того, как именно работает наш мозг. А это до сих пор во многом остается загадкой.
Как стать счастливым?
Философ Нина Дмитриева присоединилась к команде Балтийского федерального университета в 2017 году в качестве приглашенного профессора в рамках проекта 5-100. За несколько лет она собрала команду для исследовательского подразделения, нашла руководителя для будущей лаборатории, Томаса Штурма, и выиграла вместе со своей командой мегагрант в размере 44 млн руб. на проект, посвященный кантианской рациональности. На деле это означает, что число ученых, которые на площадке БФУ им. И. Канта теперь занимаются исследованием наследия Иммануила Канта, выросло до двух десятков. Примерно половина из их — молодые ученые, студенты и аспиранты.
Сегодняшний этап в изучении идей Канта в России Нина Дмитриева считает началом новой эпохи. «В 2000-е был завершен важный этап в развитии кантоведения, сформировавшегося в советское время. Его выдающееся достижение — комментированное и отредактированное двуязычное издание основных сочинений Канта и первый перевод на русский язык его рукописных набросков и незавершенного посмертного труда», — говорит философ, подчеркивая, что уходившим в конце прошлого и начале нынешнего века исследователям долгое время не было смены. Эту негативную тенденцию удается переломить только сейчас.
Руководитель Академии Кантиана Нина Дмитриева
Команда Нины Дмитриевой в прикладной части своих исследований планирует сконцентрироваться на вопросах современной науки, этики, политики и образования. Речь идет об осознании современного человека как «гражданина Вселенной», который ответственен за всё, что происходит вокруг него, — от изменений в глобальной экономике или природе до ситуации в его жилом квартале и собственной семье. «Категорический императив Канта — это требование поступать согласно определенному принципу. В основе этого принципа — моральный закон, который имеет значение для каждого из нас. Он существует вне зависимости от нашего желания или природной потребности. Понятно, что есть люди, которые выбирают не следовать этому требованию. Но рано или поздно они за это расплачиваются. Ни одно общество не может существовать без всеобщего морального закона — в таком обществе царил бы хаос, гоббсовская война всех против всех. Нет гарантии, что тот, кто следует категорическому императиву, будет счастливым. Но это необходимое условие, чтобы стать счастливым», — говорит философ.
У категорического императива есть и политически ориентированная форма, отмечает Нина Дмитриева. Человек должен рассматриваться другим человеком, группой людей или целым государством всегда как цель и никогда только как средство. Отсюда возникает целый ряд вопросов, связанных с экономической эксплуатацией и человеческим достоинством, биомедициной, политической ответственностью и отношением к природе. Все эти вопросы предстоит исследовать в рамках мегагранта. «Мы мыслим органическую природу так, будто у нее есть собственная цель — самосохранение. И для ее объяснения недостаточно, согласно Канту, законов причинности. Но мы относимся к ней исключительно как к средству, руководствуясь лишь соображениями экономической выгоды, постоянного роста прибыли. В результате такого варварского природопользования мы оказались на грани экологической катастрофы — природа как бы мстит нам за неконтролируемую эксплуатацию ее ресурсов. Как сделать так, чтобы мы начали мыслить природу нашим союзником, имеющим для нас жизненно важное значение, а не просто средством?» — задается вопросом Нина Дмитриева.
В фокусе философской программы по мегагранту — вопросы образования и педагогики. Ученые намерены понять, как увязать курс на примитивизацию, который господствует в современном образовании, и сегодняшний мейнстрим в виде концепций непрерывного образования и «нового просвещения». Так называемое компетентностно-ориентированное образование, из которого выхолащиваются фундаментальные научные дисциплины, видится, среди прочего, следствием кризиса разума, произошедшего в конце ХХ века. «В эпоху Просвещения сложилось представление, что если мы получаем знания и развиваем разум, то этого достаточно, чтобы со временем удовлетворить нужды всех и каждого. Преодолеть нищету, голод, болезни, войны и насилие. Но постепенно стало понятно, что разум можно использовать и во вред человеку. Характерным примером этого стал нацизм в Германии, когда низменные инстинкты и мистические фантазии, основанные на агрессивном национализме и подогретые социально-экономическим кризисом, были трансформированы в псевдо-рациональные формы господства — вплоть до рационально разработанных методов уничтожения миллионов людей. Обывателю новые законы казались ясными и понятными, т.е. рациональными, но на самом деле они были античеловечными, аморальными и иррациональными в своей основе. Это было прямым отказом от идеалов Просвещения и просветительского разума. А отказ от разума, как показала человеческая история, неизбежно ведет к катастрофам», — объясняет Нина Дмитриева.
Наконец, одной из проблем, которая сегодня стоит перед современным философом, является «цифровизация» человеческого общения, переход его в онлайн. Общение через соцсети не заменяет, а подменяет живое общение, что приводит к атрофии способности чувствовать, испытывать эмпатию и сострадание, утверждают философы Кантианы. Перенесение социальных связей в интернет на фоне драматического снижения уровня личностной культуры и сокращения актуального интеллектуального багажа оказывается причиной резкого сужения кругозора и утраты человеком целостного мировоззрения. Как следствие, человек становится легко управляемым со стороны кого угодно: власти, шайки бандитов или обычных шарлатанов. Поэтому решение этой образовательной проблемы сегодня выходит на первый план, констатирует Нина Дмитриева.
Текст — Вадим Хлебников, фото — БФУ им. И. Канта.
© 2003-2024