Issuu on Google+

Стенограмма первой лекции из цикла «Томские популярные лекции» по приоритетным направлениям проекта «ИНО Томск 2020»

Тема лекции – «ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО: БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ»

21 октября 2011г. Большой зал Томской областной библиотеки имени А.С. Пушкина (ул. Карла Маркса, 14)

Лиана Кобзева, руководитель проекта Томские популярные лекции «Технологии будущего» Добрый вечер, уважаемые горожане. Мы рады приветствовать вас на первой лекции из цикла популярных лекций о технологиях будущего для горожан. Это лекции о технологиях, создаваемых людьми, которые живут в нашем городе, и коллегами, с которыми они вместе делают исследования, разработки, продукты и даже создают бизнесы. Сегодня у нас в гостях Юрий Дехтярь. Все его многочисленные статусы и заслуги перечислены у вас в программках. И профессор Игорь Хлусов. Юрий Дехтярь приехал к нам из Риги, Игорь Хлусов работает у нас в Сибирском государственном медицинском университете. Лекция называется, и в приглашениях вы видели, «Технологии будущего: Биомедицинская инженерия». Позвольте для официального начала пригласить представителя Администрации Томской области из департамента экономики, Светлану Федоровскую. Светлана Федоровская, Заместитель председателя комитета департамента экономики Администрации Томской области

прогнозирования

Добрый вечер, уважаемые гости. Я хочу сказать пару слов о проекте, в рамках которого идет данная лекция. Давайте начнем с ролика. Уважаемые гости, мы всегда были убеждены, что у Томска есть конкурентные преимущества и предпосылки для создания инновационного центра. И две недели назад мы еще раз в этом убедились. Шестого октября Правительство России утвердило концепцию создания в Томской области Центра образования, исследования и разработок. Какова же цель проекта? Мы хотим создать особую инновационную среду, которая будет интегрировать основные компоненты инновационной системы - науку, образование, исследования, разработки, инновационную инфраструктуру. Кроме того, принятие проекта поддерживает социальную и транспортную инфраструктуру, которая позволит создать условия для жизни и работы преподавателей, студентов, исследователей. Мероприятий проекта десятки, они укреплены как областным, так и федеральным финансированием. Но при этом мы осознаем, что концентрация должна происходить именно в тех направлениях, которые обеспечат Томску инновационное и http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

1


технологическое лидерство не только на российском рынке, но и на международном. Поэтому нами была проведена работа с научным сообществом по выбору таких направлений. Выбрано семь приоритетных направлений, действительно ключевых, которые имеют не только научный задел, но и позволяют осуществлять масштабную коммерциализацию инноваций. Одним из них для Томской области является высокотехнологичная медицина. Именно с этой темы мы начинаем второй курс томских лекций. И мы очень рады, что такой формат общения томского общества и науки создан, и что мы в доступной форме можем получить представление о действительно прорывных разработках в исполнении их же авторов - ученых с мировым именем. Хотелось бы так же поблагодарить руководителя проекта «Томские лекции» Лиану Кобзеву и команду организаторов. Передаю слово нашим гостям. Пожалуйста, коллеги. Игорь Хлусов, руководитель научно-образовательного центра «Биосовместимые материалы и биоинженерия» СибГМУ, профессор кафедры морфологии и общей патологии СибГМУ, доктор медицинских наук Спасибо. Уважаемые коллеги, сегодняшнее общение мы решили построить в таком хулиганском стиле, в форме возможной дискуссии. Мы просим извинение за возможные шероховатости, потому что мы не подготовили домашнего задания. Поэтому, как пойдет – так пойдет. Мы попытаемся осветить в большей степени не все разработки, которые у нас ведутся в области высокотехнологичной медицины, потому что их очень много, и двадцати минут не хватит, чтобы их осветить, а касательно тех, которые мы ведем совместно с профессором Юрием Дехтярем. На экранах я представил первым слайдом определение биоинженерии. Это большое определение, которое говорит о том, что это молодая наука. Если я не ошибаюсь, то в России предмет «Биоинженерия» преподается с 2002 года. Но в этом определении биоинженерии в отношении к нашим разработкам важно, что этот интегральный раздел связан с достижениями медицинского материаловедения. Он использует наработки в области искусственно созданных биологических систем, и эти системы должны применяться для воспроизведения или компенсации нарушенных структур и функций организма. Уровни биоинженерии совершенно различные, и они связаны в принципе с уровнями организации живой материи. Это уровни, начиная с самых мельчайших вирусов и заканчивая органами, и тут еще не показаны целые организмы. Соответственно, это предопределяет сложность биоинженерии, понимания биоинженерии. Уровни организации и создания искусственных материалов, на основе которых строятся попытки биоинженерии, - это полимеры, металлы, сплавы, керамика, углерод и их композиты а так же гибриды. Гибриды – это смесь живого и неживого. И естественно, что кроме химической структуры они должны включать в себя уровни от атомарного до уровня целого организма. Исходя из сложности иерархии биоинженерии, ее особенность – это междисциплинарность подхода. Обязательно должно быть участие, с одной стороны, физиков, с другой стороны, врачей или биотехнологов. И обязательно это должен интегрировать биоинженер. Юрий, у вас есть какие-то дополнения, замечания? Юрий Дехтярь, профессор, директор Института биомедицинской инженерии и нанотехнологий Рижского технического университета, президент Латвийского медикоинженерного и физического общества, член Нью-Йоркской Академии наук, эксперт http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

2


медицинской физико-инженерной европейской сети, член европейского физического сообщества. У меня даже нет возражений, я полностью согласен. Но я хотел чуть–чуть проиллюстрировать то, что Вы сказали, и заглянуть назад на 40-50 лет. Ричард Фейнман в ’59-м году, выступая в Калифорнийском университете на собрании Американского физического общества, произнес на самом деле пророческие слова: «building nano-objects - atom by atom, molecule by molecule», то есть «будем собирать нанообъекты - атом к атому, молекула к молекуле». Прошло немного времени, и стали производить микроэлектронные твердотельные схемы. И один из основателей Intel в ’65-м году отследил, как меняется размер элементов микросхем в зависимости от года выпуска. И закон Мура, который вы видите на экране, как ни удивительно, работает до сих пор. Что интересно, в 2001 году технология манипулировала молекулярными размерами, то есть размеры элементов микросхем были уже такие, как размеры крупных молекул - биомолекул. Появилась реальная возможность собирать молекулы, собирать молекулярные устройства. Я думаю, это был тот самый технологический рывок, в результате которого мы сидим здесь. Игорь Хлусов Вполне возможно, спасибо за интересную вставку. Дальше продолжая наш диалог, хотелось бы сказать, что из уровня организации живой материи соответственно вытекает иерархия биоинженерии. Это может быть молекулярная, клеточная, тканевая биоинженерия, биоинженерия целых организмов. Каждый из них имеет свои цели и задачи. И сегодня мы хотели бы больше остановиться на той сфере биоинженерии, в которой мы пытаемся работать, это тканевая биоинженерия. Она имеет свои основные задачи и основные направления развития. И первая из этих задач – регенеративная медицина, целью которой является продление долголетия человека. Как это сделать? Старение человека в большей степени связано с хроническими заболеваниями. И поэтому направление развития – это попытки компенсировать или даже остановить течение хронического заболевания и восстановить утраченную функцию. Основные направления развития - травматология, ортопедия, стоматология, челюстно-лицевая хирургия, онкология и кардиология. Актуальность темы, если коротко сказать, состоит в том, что эти направления – это основные заболевания, которые занимают первые три места по заболеваемости и смертности. И поэтому хотя бы небольшой шаг в решении этих проблем, этого направления медицины, будет приносить большой прогресс человечеству. И проблема состоит в том, что 82% рынка Российской Федерации - это все-таки импортные изделия, и поэтому хотелось бы эту проблему сдвинуть в пользу российских изделий. Развитие биоинженерии с точки зрения развития новых материалов связано с неким кризисом существующих методов фармакологической коррекции заболеваний. Как только развивается кризис, естественно начинают возникать новые направления, и эти направления в первую очередь были связаны с достижениями физики. Я обращаюсь к Юрию, все-таки, почему именно физика, а не медицина? Юрий Дехтярь http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

3


Игорь, я правильно понимаю Ваш тезис, что фармакология в определенный момент тормознула, потому что она работает на этапе биохимии, а в основе всего находится атомная и молекулярная организация? И если действительно эффективно лечить причину, а не обеспечивать симптоматическое лечение, то надо лечить структуру? Игорь Хлусов Вы очень правильно выразили мою мысль, которую я не сформулировал. Совершенно верно. Юрий Дехтярь Для этого нужны инструменты, которые могли бы манипулировать атомами. Можно я повернусь к ’81-му году? У меня такие исторические вставки. Когда был изобретен сканирующий туннельный микроскоп в ’86-ом году, его автору Генриху Рореру была присуждена Нобелевская премия. И принцип этого микроскопа по-детски прост. Представим, что есть поверхность, и на поверхности находятся атомы, а над этими атомами мы расположим очень острую иголочку, и подадим электрическую разность потенциалов между иголочкой и этой поверхностью. Пусть для простоты поверхность будет металлическая. Тогда, если мы передвигаем иголочку, она оказывается прямо напротив атома, и с атома на иголочку полетят электроны, если на иголочке будет плюс. Напомню, что электроны имеют отрицательный заряд. Если мы двинем иголочку дальше, то со следующего атома будет выход электронов. Таким образом, можно зарегистрировать ток электронов в зависимости от координаты. Это могут быть атомы кремния, углерода, неважно. Главное, что мы можем их видеть. Но самое интересное, если мы их видим, то можно их зацепить той же самой иголочкой, и начинать двигать. Например, вот так. Это я нарисовал. А сейчас вы увидите то, что сделали эти двое джентльменов, за что они получили Нобелевскую премию. Они построили атомы на поверхности. Более того, они сделали следующий эксперимент: они накидали атомы на поверхность хаотически, стали их двигать и сложили из этих атомов аббревиатуру компании, где они работают, - IBM. В итоге они получили Нобелевскую премию. То есть сегодня есть инструмент, и этот инструмент находится почти во всех лабораториях мира, в том числе, и в томских лабораториях. Прошло совсем немного времени, и сегодня в Томске можно двигать атомы. Вперед, двигай. Игорь Хлусов Теперь мой небольшой исторический разрез в томские исследования, которые были проведены мной и при моем участии, и каким образом эти исследования привели к необходимости взаимодействия с Юрием. Квантовая медицина - это медицина, основанная на физических явлениях и знаниях. С одной стороны, она оперирует высокоэнергетическими излучениями, и это своя сфера. А с другой стороны, она работает в области физиотерапии, воздействиями, близкими к физиологическим. И с точки зрения физиотерапии, основные интересные воздействующие факторы, - это электромагнитные волны и импульсы. Среди них видимый спектр, длина волны - от 400 до 800 нм. В результате совместной работы с Юрием мы пришли к

http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

4


тому, что и поверхность имплантатов можно тоже рассматривать, как физиологическое воздействие на стволовые клетки и биологические ткани. Юрий Дехтярь Игорь, можно ремарку? Рефреном к тому, что Вы сказали, идет картина, которую я сейчас покажу. И задается вопрос, почему Латвия? Не знаю, что Вы имели в виду, когда мы начали дружить, не знаю даже, что я имел в виду, но сегодня наш опыт за плечами мы сможем сформулировать, я думаю, аудитория нас поймет. Почему Латвия? Посмотрите, она находится вот здесь. Вот то, что беленькое, это Евросоюз, то, что коричнево-серое, это все Россия. Латвия находится на границе, через которую Россия хочет проникнуть в Евросоюз. Почему бы Латвии, которая уже имеет как положительный, так и отрицательный опыт участия в Евросоюзе, не помочь России? Тем более, здесь мы имеем друзей и коллег. Другой вопрос, почему, собственно, Рига? Во-первых, Рига – столица Латвии. Во-вторых, у Риги есть очень большой и глубокий исторический опыт. Это один из самых древних городов прежней Царской России. Он был основан в 1201 году, когда Царской России еще не было. Этот город оказался на перекрестке разных дорог, через него прошли культуры и истории разных больших империй. Он вобрал в себя культуры истории Германии, Швеции, Польши, России. И во времена Царской Империи Рига была одним из крупнейших городов России, это был крупнейший промышленный город - третий или четвертый. А во времена шведского правления это был самый крупный город Швеции, очень короткое время он был столицей Швеции. Вообще, это красивый город, в который я вас приглашаю. Он действительно красивый, современный европейский город, и это тоже фактор, почему нам стоит дружить. Почему выбран университет, в котором я работаю? Потому что это самый древний, самый первый университет Царской России. Он основан в 1862 году. А почему мой институт? Да потому что это самый молодой институт нашего университета. Он основан в 1997 году. У него большой опыт международного сотрудничества. У нас работали 13 международных проектов, частью из этих проектов мы руководили. Мы координировали европейский проект, в котором участвовали наши коллеги из Томска, в частности профессор Хлусов. Мы продолжаем сотрудничество после этого проекта. У нас завязалась дружба. Мы хотим укреплять эти отношения, расширять сотрудничество. Кроме того, у нас есть образование, которое, может быть, заинтересует вас, и я думаю, оно уже заинтересовывает. Это образование в направлении биомедицинской инженерии и медицинской физики, которое проводится по схеме болонской конвенции - бакалавр плюс магистр, то есть обучение продолжается четыре с половиной года плюс один год. Параллельно у нас есть магистратура по направлению «Наноинженерия», что тоже сегодня очень приветствуется и очень модно. И этот опыт мы тоже готовы передавать, используйте. И добро пожаловать в Ригу. Спасибо. Игорь Хлусов Продолжим рассказывать о конкретных результатах, которые мы сделали на Томской земле. Отслужив 15 лет в Институте фармакологии, я понял, что надо двигаться немного в другую сторону по разным причинам. И судьба свела меня с хирургами. Хирурги – это круглые материалисты, как правило, физики в своей душе. И когда я с ними связался, пришла, как Юрий http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

5


выражается, бриллиантовая идея. Есть так называемая кремлевская таблетка - автономный стимулятор желудочно-кишечного тракта, который дает импульсный электрический ток в физиологическом диапазоне. Он предназначен для стимуляции желудка и кишечника после операции для восстановления его двигательной активности. Академику Донбаеву пришла гениальная мысль бросить его в пробирку с клетками, посмотреть, что там может получиться. Мы взяли костный мозг, где содержатся стволовые клетки. Причем стволовые клетки - это стромальные и кроветворные клетки. Получилось, что в зависимости от воздействующей дозы, есть интервалы, где происходит активация роста стволовых клеток. С другой стороны, есть интервал электрической дозы, которая вызывает гибель клеток. И я понял, что физические методы – это очень интересно в плане возможности регуляции стволовых клеток. Диапазон, где можно подавлять клетки, сразу стал интересен для онкологии, потому что на кафедре Донбаева занимаются онкологией. Оказалось, что если обрабатывать опухолевые клетки вне организма с помощью электрических импульсов, то при введении этих опухолевых клеток мышам, рост опухоли тормозится как минимум на 50%. Это тоже стало интересно. Тогда мы сделали следующий шаг. В начале 2000-го года была в моде клеточная терапия - это введение разрозненных клеток. Эффекта, как правило, не наблюдалось. А в Томске всегда была развита идея материалов - носителей для клеточного материала. Тогда мы обработали опухолевые клетки. Мы их называем «страшно красивые». После обработки они стали «достаточно мертвые». Мы это засеяли на пористый носитель и имплантировали мышкам, у которых неизбежно в 90% случаев развивается лейкоз при жизни. Мы имплантировали это в раннем возрасте, когда они еще не болеют лейкозом. А потом проследили, как они живут, и какой выход лейкоза. Оказалось, что выход лейкоза не уменьшается, но мышки живут на 30% дольше, чем мышки без введенного имплантата. Это стало интересно в плане возможного практического выхода для наших результатов. Сразу скажу, что технологию, которая была сделана в 2000-м году, увезли в Москву, и там она активно развивается. Дальше мы взяли пористую поверхность искусственного материала и опухолевую клетку на искусственном материале. Оказалось, что взаимодействие опухолевых клеток с искусственным материалом приводит к интересному виду. В столбце на слайде обозначена экспрессия гена теломеразы. Теломераза - это фермент, который способствует удвоению нитей ДНК, следственно, он способствует делению опухолевых клеток и отвечает за это бесконтрольное деление. Опухолевая клетка Хиля была выделена в ’50-х годах. Каждый год в современном мире добывается несколько тон этих клеток для различных экспериментов. Искусственная поверхность, кальций-фосфатная поверхность, тормозит активность экспрессии, появления этого гена теломеразы практически в семь раз. Таким образом, нам стало еще более интересно это направление исследования. Мы его обозвали как 3D-вакцинотерапия для онкологических заболеваний. Судя по литературным исследованиям и по патентным обзорам, такого еще я не встречал. Особенность Томской земли - �� том, что очень много институтов и университетов. Юрий Дехтярь Игорь, извини, можно я опять встряну? Вы говорите, как биолог, и упомянули эту таблетку. А я бы хотел показать один момент, который демонстрирует другую таблетку. Это такая http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

6


таблеточка, так называемый проект «Norika-3», который разработали японцы. В нее встроена капсула - миниатюрная видеокамера. Этот красный эллипс – блок питания, который воспринимает электромагнитные импульсы вне пациента, поддерживает через это питание все системы этой капсулы. Имеется два прожектора, маленький манипулятор, который может отщипнуть образцы для гистологии, имеется контейнер, который содержит специфические лекарства. Когда оператор-врач видит место, которое надо подлечить, он просто нажимает кнопочку, и лекарства выстреливаются. Такая капсула стоит 500 долларов. Но если посчитать, что нам нужно сегодня для колоноскопии и эндоскопии, то это будет не дешевле, я думаю. Вот эта капсула находится внутри, управляется при помощи магнитных и электромагнитных полей. А это уже реальные кадры. Если обратите внимание, наверху экрана показывается пульс – условно, кардиограмма, которое так же обозначает кровяное давление. А вот показывают момент, когда выстреливает лекарство, это очень красиво происходит. Управление такой системой очень простое, что-то вроде компьютерного джойстика. И так капсула проходит сверху-вниз абсолютно безболезненно. Не знаю, как у них там дворники устроены. Всё, спасибо. Игорь Хлусов Если посмотреть на картинку взаимодействия клеток с искусственной поверхностью будущих имплантатов, то сразу возникает вопрос, почему идет такое воздействие на клетки? В этом плане, я тоже хотел бы обратиться к Юрию, потому что здесь и начинается взаимодействие с физикой. Что в этой искусственной поверхности может быть заложено, что так действует на клетки? Сразу скажу, что это воздействие называется «эпигенетическое», то есть за счет внешних стимулов можно регулировать поведение генов и геномов клеток. Юрий Дехтярь Я попробую в двух словах ответить на Ваш вызов, хотя это очень сложно, и я думаю, что сам до конца не понимаю. Ммикробиологи говорят: «Что ты хочешь от клеток, они и так умные, сами знают, что делают». Но суть такова, что если клетка садится на кость, чтобы обеспечить ее процесс ремоделирования - процесс удаления устаревшей костной ткани и образования новой то необходимо, чтоб была адгезия на поверхности кости. Тут вступает в силу теория адгезии, которая была разработана советскими учеными Дерягиным и Ландау. Ландау – лауреат Нобелевской премии по физике. Эта теория говорит, что любая частица адгезирует на поверхность тогда, кода имеется равновесие между энергиями притягивания и отталкивания. И что замечательно, энергию отталкивания обеспечивает электростатика. Это значит, что поверхность субстрата, который притягивает, и на который садится клетка, можно заряжать, и таким образом влиять на процесс адгезии. Теперь вопрос, как зарядить эту клетку. Здесь приходится придумывать способы, как это сделать. Я расскажу один пример, как мы пытаемся это делать. Когда мы посмотрим на кость, оказывается, что костная ткань состоит из двух главных составных частей. Это нанокристаллы гидроксиапатита, которые вставлены в волокна коллагена. Проведя исследования, мы установили, что кость является полупроводником. Если кто интересуется, то эта картиночка обозначает, как по энергии распределены состояния электронов в кости, и эта картинка соответствует картинке полупроводника. Если мы хотим http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

7


регулировать осаждение клеток на кость, то для полупроводников известно, как регулировать осаждение любой частицы на поверхность полупроводника. Для этого надо менять зарядовое состояние этих позиций, которые могут заполняться и освобождаться от электронов. Но встает вопрос, что это за позиции, и что за них отвечает? Поскольку кость состоит из двух составляющих - гидроксилапатита и коллагена - то нужно было разобраться, о чем информирует спектр, который мы видим. Для этого и был задуман проект, над которым мы с Томском и другими коллегами работали с 2004-го по 2007-й года. На это были выделены деньги. Наши коллеги из Израиля, Тель-Авива, обнаружили, что если взять нанокристаллы гидроксиапатита и измерить, где находится состояние электронов, то выяснится, что они находятся именно там, где мы видим состояние для костей. Это и есть гидроксиапатит. Весь фокус нашего внимания был направлен на то, как изменить заряд гидроксиапатита. И здесь мы пошли двумя путями, используя нанотехнологии. Наши коллеги биофизики по проекту из Пущино смоделировали кристалл гидроксиапатита. Они рассчитали, от чего, прежде всего, зависит поверхностный заряд кристалла. Оказалось, что от наличия протонов. Прежде всего, он определяет заряд поверхности. Еще оказалось, что протон имеет два равновесных состояния вокруг атома кислорода. Вокруг атома может прыгать протон. При этом ничего не происходит с точки зрения химических и кристаллографических свойств. Но если протон прыгает вокруг кислорода, отходит от поверхности, она будет заряжаться отрицательно, будет недостаток положительного заряда. Дальше надо было придумать, как перегнать протон. Придумали: стали перегонять, потом осаждать клетки и смотреть результат. Следующий подход был связан с уровнем средней школы. Ничего глубокого там нет, это поверхностное натяжение. Если мы возьмем капельку жидкости, то чем меньше размер капли, тем больше она будет сворачиваться в сферу. Это происходит потому, что поверхностное натяжение превалирует над силой гравитации, и капелька не расплющивается. Чем больше капля, тем ситуация хуже, и сферу получить нельзя. Но поверхностное натяжение обратно пропорционально радиусу частицы. Если мы возьмем большую и маленькую частицу гидроксиапатита, то мы вправе ожидать, что поверхностные натяжения будут разными. Тогда деформация произойдет в слое кристаллической решетки. В результате моделирования частиц гидроксиапатита выяснилось, что для наночастиц заряд протона больше. Следовательно, если мы уменьшаем размер, то увеличиваем поверхностный положительный заряд на этих частицах. И тогда надо сделать эксперимент и проверить, действительно ли от размера зависит заряд. Действительно от размера, и мы можем регулировать этот размер. Последний момент – осаждение клеток на поверхность, которая была заряжена либо уменьшением размера частиц гидроксиапатита, либо перемещением протона. Осадили костеобразующие клетки остеобласты - и оказалось, что количество клеток, севших на поверхность, строго коррелирует с величиной отрицательного заряда. Больше отрицательный заряд на поверхности - больше клеток садится. Но что самое удивительное, он способны размножаться. Чем больше отрицательный заряд, тем больше они размножаются на поверхности. Наконец, эксперимент с животными показал, что обработанная поверхность имплантата, на которой сидит гидроксиапатит, проявляет большую способность образовывать костную ткань. Но самое интересное, и мы не знаем почему, такая поверхность обладает асептическими свойствами. Например, стафилококки на нее не садятся. Можно предложить хирургам прежде, чем ставить http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

8


на нее гидроксиапатит, облучить ультрафиолетом и заиметь более отрицательный заряд поверхности, и 100%, что стафилококки внутри уже не будут. Игорь Хлусов Экспериментальная физика активно развиваемого технического университета очень удачно наложилась на школу материаловедения в Томске. Я знаю, больше нигде по всей России нет столько имплантатов и изделий, которые пригодны для медицины, которые в результате кооперации с учеными можно найти и использовать. Именно Томск - один из первых городов не только России, но и мира, где изделия с кальций-фосфатными поверхностями были использованы в клинике, для лечения заболеваний костной ткани. У нас был образец, на котором можно было изучать рост клеток и ДНК, облучать, и с помощью воздействий других менять заряд. Есть так называемая концепция ниш для стволовых клеток, которая была разработана недавно. Вообще медицинское материаловедение имеет историю с 1985 года. А с другой стороны, концепция ниш развивается с 1978 года благодаря западным ученым. До сих пор она оставалась на уровне гипотез. Имея подложки для клеток на руках, мы эту гипотезу развили дальше. Гипотеза говорит, что поверхность костной ткани несет домики для стволовых клеток, в этих домиках стволовая клетка может жить. И есть домики, в которых она может развиваться, созревать и идти в ту или иную клетку крови. Естественно, эта теория ниш применима к отдельному человеку и к обществу в целом. Ниша – это территория, на которой мы себя чувствуем хорошо. Это социально-гигиенические нормы, не меньше 12 кв. метров на человека. Если меньше, то человеку будет не очень хорошо. Оказалось, так же и стволовые клетки. И с помощью подхода - материаловедение плюс экспериментальная физика - удалось доказать, что ниши существуют не только для кроветворных клеток, но и для стромальных стволовых клеток. А стромаль��ые клетки могут развиваться в 12-ти различных направлениях. Поэтому, если мы сможем конструировать такие ниши с помощью искусственных материалов, то мы через них сможем управлять этими клетками. И тогда у нас возникла идея, что на первом этапе есть ниша, которая содержит в себе очень важный рельеф для того, чтобы стромальная стволовая клетка пошла в костную ткань. Действительно это было показано с отдельными клетками и с костной тканью, что когда стромальная клетка занимает свою нишу, она становится остеобластом. И если имплантат, который несет эти ниши, мы нанесем мышке, то образовывается костная ткань. И эти ниши можно использовать для лечения заболеваний костной ткани. Эти исследования проводились в ортопедических клиниках Томска, в том числе для детей с несовершенным остеогенезом. Это заболевание, которое связано с неправильным развитием коллагена. В основе могут быть два процесса: либо генетическое заболевание, с которым сложно справиться, либо эпигенетическое заболевание, с которым можно справиться за счет поверхностей, которые несут ниши для правильных стволовых клеток, которые будут синтезировать правильный коллаген. Действительно удалось добиться очень приличных результатов. Далее мы перешли ко второй части с помощью исследований профессора Юрия Дехтяря о том, что рельеф - это не интегральный показатель. Он несет и шифрует в себе более интересную информацию, которая связана с распределением зарядов и распределением потенциалов. Юрий, что-нибудь скажете по этому поводу? Юрий Дехтярь http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

9


Я могу сказать, но я думаю, что аудитория подустала от наших умных слов, в которых мы сами пытаемся разобраться. То, что мы с Вами тут условно сидим за круглым столом, а не на острых углах, означает, что те события, результаты и прорывы, может быть, становятся возможными потому, что люди разных профессий, может, разных философий, сближаются и интегрируют свои знания. И только тогда что-то происходит. Я сейчас хотел перейти несколько к другому аспекту - к аспекту обучения. Я хотел бы попробовать сравнить, как мы учим сегодня, и как надо учить, чтобы увеличить частоту прорывов. Для этого я вернусь к закону Мура, о котором уже говорил, но немного в другой форме. Это количество транзисторов в интегральных микросхемах в зависимости от года выпуска. Этот закон Мура описывается очень простой формулой, где Т - это количество транзисторов, у – это год, а 2,9 – это некоторая постоянная времени. Это означает, что технология развивается какими-то импульсами, и интервал между импульсами – приблизительно три года. Что ответственно за эти импульсы? Прежде всего, обращу ваше внимание на то, как мы сегодня учим. Если технология развивается импульсами раз в три года, то система обучения должна успевать за этой технологией. Например, сегодня я задумал начать новую программу обучения, задать новый импульс. Для этого я должен сделать формальные документы, в нашей стране это называется «пройти аккредитацию учебной программы». На это мне понадобится один год. Потом я буду учить в силу тех стандартов, которые у нас есть, в России – 5 лет. В итоге я имею шесть лет вместо трех. Если приплюсовать, что студент после получения образования еще должен 3-5 лет работать, то в итоге я имею 9-11 лет. Это безнадежное отставание. На мой взгляд, наступит время, когда технология будет тормозиться отсутствием грамотных специалистов. У нас огромный дефицит грамотных специалистов, поэтому слабо развиваются технологии. Итак, на что надо обратить внимание, когда мы учим. Вернемся к микроэлектронике. Все скажут, что движущая сила микроэлектроники – это физика. Но так ли это? По-видимому, физика поставляет эти трехгодичные импульсы, технологии микроэлектроники. И чтобы это проверить, я посмотрел, какова частота присуждения Нобелевских премий за работы, которые существенно влияют на развитие микроэлектроники. Оказалось, эта частота тоже составляет три года. Действительно сходится, что импульсы, посылаемые физикой, реализуются технологией. Наша задача, я все-таки профессор университета, - учить так, чтобы поспевать за этими импульсами. Что же делать? Для этого я предлагаю глянуть назад в историю, как же развивалась наука, и как мы пришли к той системе образования, которая есть сегодня. Это стрела времени. В самом начале у нас не было никакой науки. Примерно в седьмом веке появилась концентрированная наука, которую называли philosophy. Это была наука обо всем. В конце эпохи Ренессанса philosophy разделилась на две большие науки - moral philosophy и natural philosophy. Natural philosophy включала в себя математику, биологию, физику, медицину. Классический представитель natural philosophy – Леонардо да Винчи. Он был механиком, оптиком, физиком, медиком. Прошло немного времени, и natural philosophy расщепилась еще больше – на математику, физику, биологию и т.д. Теперь мы находимся на стыке конца 20-го и начала 21-го веков, и имеем подход, когда есть математика, химия, эти расщепленные науки, и говорим, что это и есть междисциплинарный подход. В таком подходе, например, профессор Хлусов читает свой курс, ссылается на физику, и слегка понимает физику. Я читаю медицинскую физику, ссылаюсь на http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

10


биологию, и слегка понимаю биологию. Будут другие преподаватели, другие курсы, но между всеми этими курсами будет дырка, которую я обозвал «gap», - это пустота, там нет знаний. Наверное, ее надо заполнить. Как? Посмотрим, что происходит на стыке 20-21 века. Математика, химия, физика, биология расщепились еще больше. Информатика появилась, как раздел математики. Биология – клеточная, молекулярная. А потом на наших глазах 20 лет назад стали появляться такие науки, которые синтезируют биологию и информатику – биоинформатика, биологию и химию – биохимия, биологию и физику – биофизика. Похоже, начинается цикл интеграции наук, и формируется новый блок наук, который, по-видимому, есть новая и natural philosophy. Происходит интеграция. Эта natural philosophy, когда есть биофизик, он знает как физику, так и биологию, означает, что науки конвергируются вместе. Теперь, если я читаю физику, я должен знать биологию. Если профессор Хлусов читает биологию, он должен хорошо знать физику, не так хорошо как я, но гораздо глубже, чем он знает сегодня. А я гораздо глубже должен знать биологию. Конечно, это трудно. Но в результате мы закрываем эту дырку, у нас появляется ядро новых знаний, которое будет постепенно расти, будут генерироваться новые знания. Как же учить? Наша задача была поспеть за технологиями, не опоздать, попасть в этот трехгодичный цикл. Если примем, что эти предметы - есть новая и natural philosophy, то это есть те самые новые фундаментальные предметы, которые надо преподавать в университете, забыв, что математику, физику, химию, биологию мы преподаем в университете, а все эти расщепленные предметы отдать в школу. Вы скажете, что это невозможно. Почему невозможно? Когда мы учились с профессором Хлусовым, у нас в школе была высшая математика, и никто от этого не умер. Потом про это забыли. Может, какие-то детальные предметы не надо еще отдавать в школу. По крайней мере, место этих предметов определенно в школе. Если мы посмотрим на сегодняшнюю физику, которая преподается в университете – это ничто иное, как физика Ньютона с некоторыми вариациями в квантовую, атомную физику на элементарном уровне. Я имею в виду технические университеты, на физфаке - совершенно другое. Все это вполне можно преподавать в школе, уровня школьных знаний хватает, чтобы понять эти предметы. Есть еще возможность попробовать это сделать во время школьных каникул так, чтобы школьник или факультативно, или во время каникул посещал университетские курсы, начальные курсы, и получал бы кредитные пункты и зачеты. Недавно мне посчастливилось детально познакомиться с опытом США. Это огромная страна со своими достижениями и проблемами, но она другая, не такая, как наша. У них другая история, она по-другому пережила эту историю, у них другая ментальность. Было интересно смотреть, что же они делают. В США vocational teaching чрезвычайно популярно. И в этом обучении заинтересованы обе стороны: как школьники, так и профессора университетов. Я никак не мог понять, зачем профессору университета работать еще и летом. Оказалось, очень просто. Он во время студенческих каникул не получает зарплату. Он получает зарплату только 10 месяцев в году. Вот его мотивация. Мотивация школьника – интерес послушать профессора и получение кредитных пунктов и зачетов, то есть экономия времени. В университетах для школьников имеется факультативное обучение. Я знаю девочку, ей 13 лет, она учится еще в школе, но одновременно она учится на первом курсе в Washington University. Когда она закончит школу, она будет уже на третьем курсе университета. Да, она берет предметы, которые ей по силам, но http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

11


она это делает, и таких очень много. Нам, конечно, далеко до тех возможностей, которые есть в США. В нашем университете мы что-то пытаемся делать, например, в программе «Наноинженерия», которую мы открыли. Павда это магистерская программа, она стоит повыше, чем бакалаврская, но мы в ней выделили фундаментальные предметы, без которых воо��ще нечего делать в области нанотехнологий. Это физика нанотехнологий, это микронаноустройства, микронанотехнологии, оборудование для нанотехнологий, измерение нанообъектов и бионаномиметика. То есть учись от природы на наноуровне, но пытайся создать свое. А потом начинается профилизация - наномеханика, химическая нанотехнология, наномедицина и нанотехнологии для среды. Мне кажется, такая идея может работать. Если она может работать в штатах, почему не может работать у нас? Игорь Хлусов Приближаемся к финишу, не уставайте. Слушая Юрия, я подумал, что хорошо, что науки о человеке развиваются медленнее - цикл не три года, а, по крайней мере, 10 лет. Юрий Дехтярь Игорь, они развиваются все быстрее и быстрей. Совсем недавно Вы и не могли предположить, что у Вас в лаборатории появится атомный микроскоп, который откроет совсем другие возможности. Вы даже не мечтали, что появится конфокальный микроскоп, с помощью которого вы сможете заглянуть внутрь клетки. Это быстро происходит. Игорь Хлусов Планируя до 2020 года наши совместные усилия с Юрием, мы подали идею о том, что с помощью распределения потенциала можно управлять стволовыми клетками. Например, на картинке изображены хаотично расположенные стромальные клетки, а на этой прозрачной подложке с помощью облучения нанесены электронные дорожки, и вдоль этих дорожек происходит выстраивание стомальных стволовых клеток. Мы подали эту идею «Сколково», нам дали добро. И теперь мы будем пытаться с помощью «Сколково» создать предприятие и получить финансирование для того, чтобы решить эту идею. Но для этого через 10 лет или раньше нам понадобятся специалисты. И как мы пытаемся решить эту задачу? Обучение врача – это тоже 10 лет. Поэтому медицинский университет создал совместную программу и развивает ее с Томским политехническим университетом. Она связана с направлением «Биосовместимые материалы и биоинженерия». Идея – привлечь ресурсную базу и мысли физиков для того, чтоб решать задачи медицины в области биоинженерии. Планируется, что на выходе может быть совместный диплом - магистры техники биоинженерии, которые будут обладать компетенциями как в области физики, так и биологии и медицины. И тогда сбудутся угрозы Юрия, что цикл для медицины будет не 10 лет, а три-пять лет для очередных прорывов в технологиях. Преимущество Томска - в том, что Томск – это инновационная среда, устойчивое конкурентное преимущество именно Томска. И за счет междисциплинарного взаимодействия с Рижским техническим университетом будет способствовать и международной междисциплинарной интеграции науки и техники. У меня всё. Что скажет Юрий? Юрий Дехтярь http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

12


Думаю, приблизительно семь лет назад я услышал доклад о стволовых клетках и возможном их использовании в клинике для лечения мягких тканей. Тогда я подумал, что они там говорят, это все в лабораторных чашах, а уже два года, как эта технология используется в нашей латвийской клинической больнице, а вы говорите – десять лет. Игорь Хлусов С начала развития технологии прошло именно десять лет. Юрий Дехтярь Я не могу сказать, в отличие от Игоря, что мне нечего сказать. Но, тем не менее, наше время ограничено, ваши силы тоже. Спасибо за внимание и выдержку. Привожу вам фотографию, которую сделал в Бостоне, в Массачусетском институте технологий. Это памятник математике. Студенты прониклись тем, что без математики они не могут, они собрали металлолом, из этого металлолома сварили из математических символов такую фигуру. Спасибо. Лиана Кобзева Спасибо большое нашим профессорам. Я сегодня в очередной раз гордилась Томском, что здесь живут такие люди и сюда приезжают такие люди. Мне кажется, что получилась не совсем популярная, не популистская лекция. Язык лекции был не совсем примитивный. Действительно, чтобы что-то в мире сделать, надо очень постараться. На совсем примитивном уровне ничего полезного человеку не сделать. Мне нравится посыл, которые молодые люди должны считать с выступлений лекторов, что надо нацеливаться на то, чтобы пахать. У нас формально есть около двадцати минут. Если есть вопросы к профессорам, можете их задать и получить ответ. Юрий был в России последний раз много лет назад, и далеко не в Томске. Когда он еще у нас окажется. Вопросы есть? Евгений Грибов, аспирант радиоэлектроники (ТУСУР)

Томского

университета

систем

управления

и

Я хотел бы уточнить то, что я понял на определенном этапе вашей парной лекции. Правильно ли я понял, что когда двое ученых из IBM начали передвигать атомы, мы через несколько лет получили возможность делать определенную поверхность отрицательного заряда, которая притягивает клетки, и теперь мы можем делать разные подложки, и на них управлять строительством какого-то органа? Юрий Дехтярь Да, в принципе. Уже проходят преклинические испытания таких органов. Их печатают, как на принтере. Это много рекламируют. Берут клетки пациента, которому этот орган надо сделать, размножают, и потом начинают печатать на принтере орган во всей этой 3D-структуре. Я знаю эксперименты по приклеиванию пальца. Я знаю, что ученый в Америке сделал мочевой пузырь,

http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

13


а сердце он показывал как эксперимент. Мочевой пузырь он держал в руках, и показывал пациента, кому пересадили такой мочевой пузырь. Игорь Хлусов Я бы хотел дополнить. Сейчас существует два основных направления использования имплантатов для медицины. Первый – вне организма на имплантат заселяют столовые клетки, выращивают, создают искусственный орган или гибридный имплантат, и вводят обратно в организм для того, чтоб восстановить или компенсировать утраченную функцию. Но, как правило, то, что мы ввели, рассасывается и замещается на собственную ткань организма. Другой подход, который мы пропагандируем, - это более интересно, но более отдаленно. Сделать эти подложки настолько близкими к организму, чтобы, когда мы их вводим без клеток в организм, они выступали как мембраны для стимуляции собственных стволовых клеток непосредственно в организме. Это второе направление менее затратно, с ним может возникнуть меньше осложнений. И оно входит в понятие регенеративной медицины. Поэтому второе направление более интересно. Лиана Кобзева У меня добавка к вопросу, через сколько это будет возможно? Сейчас это выглядит, как эксперимент где-то в лаборатории. Когда будет возможно купить орган? Юрий Дехтярь Сегодня. Юрий Вечерский, кардиохирург НИИ Кардиологии СО РАМН Слушаю вас с удовольствием. Каждый день я занимаюсь тем, что чиню орган, который называется сердце. И я понимаю, какая огромная пропасть между тем, какие мы сегодня имеем технологии, и между тем, что мы можем иметь. И ваша лекция лишний раз убедила меня в том, что Юрий десять раз прав - надо идти вперед семимильными шагами. Нас сдерживает, может, инерция, может, несовершенство технологий обучения, может, финансовые затруднения. Если взять нашу страну, то они становятся тормозом хороших начинаний. Тем не менее, к этому надо стремиться. У меня вопрос к Юрию. Как Вы думаете, все эти технологии, в том числе технологии искусственных органов, биодеградируемых материалов, нанотехнологии, когда будут в клинике в каждодневной практике? Ваш прогноз. Юрий Дехтярь Вопрос на завал. Но чувствую, что это происходит очень быстро. Американский докторимплантолог рассказывал, что мочевой пузырь он пересадил два-три года назад, а уже сегодня он держит в руках напечатанное сердце, которое работает, которое еще не подсадил, но и до этого дойдет. Мне очень трудно предсказать. Конечно, это будет не через год-два. А может уже через пол году будет, я не знаю. Но это будет точно быстро. И Вы затронули очень важный момент, когда спросили, почему у нас происходит так медленно? Есть много причин – политические, экономические. Одну причину я бы назвал ментальностью. Мой опыт http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

14


преподавания в Америке и контакты со студентами показал, что у нас, например, студент слушает лекцию или семинар, и в редких случаях задает вопрос. Студент приходит сдавать. Если есть возможность сдать предмет с более легким содержанием, он выберет этот предмет. Американский студент делает наоборот. Он не списывает и задает множество вопросов. Я пытался понять, почему он не списывает. Я думаю, что американский студент не списывает по той причине, что есть жесточайшая конкуренция на рынке труда. Он, не списывая, доказывает, что он способен решить эту задачу, он обеспечивает себе конкурентоспособность. То же самое он делает, задавая вопросы, - получает знания с первых рук. Мое пожелание ребятам. Не списывайте, и задавайте множество вопросов, пока вам все абсолютно не станет понятно.

http://innovus.biz/ino-tomsk/about/

15


Стенограмма лекции по Биомедицинской инженерии