4015
30 марта 2021
Анастасия Горбунова, иллюстрация Айдара Ергали

Алина Бекмухаметова, химик-нанотехнолог: «Я работаю над альтернативой антибиотикам»

Как побороть устойчивые к антибиотикам инфекции с помощью наночастиц и лазера

Алина Бекмухаметова, химик-нанотехнолог: «Я работаю над альтернативой антибиотикам»

В 2016 году пациентка в США заболела пневмонией. Помочь женщине не смогли, потому что бактерия оказалась устойчивой ко всем известным антибиотикам. Подобную устойчивость инфекции приобретают, когда антибиотики используются неправильно: назначаются без особой нужды или когда пациенты бросают пить препарат, не закончив курс. Во время первой волны пандемии COVID-19 в Казахстане было мало известно о том, как лечить это заболевание, а коек в больницах не всегда хватало. Люди паниковали и скупали в аптеках антибиотики: кто-то сам, без рецепта и на всякий случай, кому-то назначали врачи, хотя показаний не было. Неизвестно, насколько большой вклад это внесло в развитие устойчивых инфекций в Казахстане.

Подобная ситуация не уникальна. Люди по всему миру рискуют остаться без доступных и рабочих антибиотиков. Героиня проекта Gylym Faces Алина Бекмухаметова исследует, как можно побороть устойчивые к антибиотикам инфекции другим способом — с помощью наночастиц и лазера.

Алина Бекмухаметова родом из Петропавловска. После школы поступила в Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет на специальность «Технология тонкого органического и нефтехимического синтеза». Во время учёбы Алину пригласили заниматься научной деятельностью в Институт органической и физической химии им. Арбузова. Там ученые проводили исследования в области наномедицины — изучали доставку лекарственных препаратов с помощью макро- и нанообъектов. Они использовали разные химические соединения и наночастицы, которые потенциально могли бы помочь доставлять лекарства в пораженную область организма. Алина Бекмухаметова увлеклась наномедициной, решив продолжить работу в этой области. Она хотела не просто описывать свойства подходящих наночастиц, но и найти для них реальное применение. Поэтому поступила на программу PhD в Западный Университет Сиднея в Австралии, где исследует наночастицы для лечения микробных заболеваний.

Как наночастицы могут доставлять молекулы в нужную точку, какие есть альтернативные способы лечения антибиотикорезистентных инфекций и при чём тут лазер, чем отличается обучение в Австралии и как выбрать между наукой и достойной зарплатой — об этом и многом другом Алина Бекмухаметова рассказала в нашем материале.

Зачем нужна точечная доставка лекарств

Доксорубицин — это соединение, которое используют для лечения рака, особенно при лечении рака молочной железы, рака яичников и желудка. Но в определённых дозах оно токсично не только для опухоли, но и для всего организма человека. Чтобы снизить токсичность, учёные предложили «одевать» доксорубицин в липосомную оболочку: получалась капсула, защищённая снаружи мембранами. Противораковая эффективность не изменилась, а вот токсичность стала намного меньше, потому что так необходимая дозировка доносилась в этой капсуле до нужного места, не нанося по пути вред другим частям тела. Используя наночастицы, можно организовать похожую точечную доставку. Наночастицы либо делаются из особых материалов, чтобы они точно «знали», куда им нужно попасть, либо на них прикрепляют антитела, которые ищут нужную мишень.

Доксорубицин в липосомальной оболочке вводится внутривенно и постепенно достигает области опухоли. Но также учёные изучают разные рецепторы на поверхности раковых клеток и пытаются создать такие наночастицы, которые будут целенаправленно находить клетки опухоли. Это что-то похожее с тем, когда подобное притягивает к себе подобное. Такой подход может работать не только с раком. Например, лекарства или наночастицы можно обернуть в хитин или хитозан, потому что многие микробы содержат его на своей поверхности. Так их можно будет доставить сразу к нужной точке.

Как появляется устойчивость к антибиотикам

Антибиотики — препараты с точечным действием. Молекулы разработаны так, что они всегда знают, куда им стремиться. Механизм самого действия антибиотика на клетку бактерии — это взаимодействие с химическими процессами, которые происходят в бактерии, и нарушение этих процессов. Бактерии постепенно привыкают к такой атаке и становятся устойчивыми к действию антибиотиков. Существует два механизма формирования устойчивости к антибиотикам. Первый — мутации, происходящие в клетках определённой бактерии, а второй — горизонтальный перенос генов, когда одна бактерия передает свой генетический материал другой. Устойчивость развивается при появлении энзимов, которые дезактивируют антибиотик, изменении поверхности стенки клеточной мембраны, химическом изменении протеинов, энзимов или рецепторов, в которые целится антибиотик или при активации эффлюкционных насосов, которые, проще говоря, отталкивают молекулы антимикробного препарата.

Проблема устойчивости бактерий связана с частым использованием антибиотиков. Этому способствует много факторов. Несмотря на рецептурный отпуск, в реальности в Казахстане всё ещё можно купить антибиотики просто так, без рецепта. С одной стороны, нужно объяснять пациентам, почему нужен антибиотик, что он помогает при бактериальных инфекциях и не рекомендуется при вирусных заболеваниях, — для этого существуют другие препараты. Бывает и так, что назначают пропить антибиотики 5 дней, а пациент принимает их лишь три дня, потому что уже отлегло, полегчало. Возможно, что большая часть микробов поражена, но осталось два-три микрорганизма, которые были с некоторой устойчивостью и им нужна была доза побольше. Но человек перестал получать антибиотики, и поэтому эти 2-3 клетки продолжат размножаться. Только потом таких микроорганизмов будет 10, 20 и так далее, и все они уже приобрели устойчивость к антибиотикам. Теперь, чтобы их уничтожить, понадобится другой антибиотик.

Случается, что пациент приходит из раза в раз, потому что не допивает положенную дозу препарата, врачи выписывают ему каждый раз новый, он опять не допивает курс до конца, и мы получаем уже супербактерии, устойчивые к разным видам антибиотиков.

С другой стороны, нужно образовывать и врачей. Многие из них не знают английский язык, не читают современные исследования, не в курсе того, что происходит в мировой медицине. Зачастую таких программ нет в медицинских университетах. Возможно, у врачей большая нагрузка и не остается времени для изучения информации извне. В этом случае им может помочь сообщество @medsupportkz, которое переводит важные научные исследования в области медицины на казахский и русский языки для повышения осведомленности казахстанских врачей. Может быть, не все даже знают про проблему устойчивости к антибиотикам, может быть, врачи назначают препараты сразу, без анализов. Возможно, многие знают, понимают, что надо сначала понять, какая именно инфекция у пациента, но есть ли у них возможность на практике назначить анализы и дождаться их результатов? Вероятно, что проблема не только в том, что пациенты или врачи чего-то не знают.

В итоге антибиотики не справляются, а при увеличении дозировки они становятся слишком токсичными для нас. Разработать новый антибиотик, протестировать его эффективность и безопасность — задача сложная и очень долгая. А бактерии мутируют быстро.

Поэтому некоторые учёные думают об альтернативах антибиотикам; они заключаются в том, чтобы изменить механизм уничтожения бактерии. При этом важно сказать, что устойчивость к антибиотикам приобретают не только бактерии, но и грибки. Во всех случаях такой устойчивости нам нужны альтернативные способы лечения инфекций.

Фотодинамическая терапия для лечения устойчивых инфекций

Сейчас я занимаюсь фотодинамической терапией грибковых инфекций. В ней используются фотосенситивное вещество (активируемое световым воздействием) и свет, в моём случае — лазер. Мы вводим фотосенсивное вещество в область заражения. Это вещество мы облучаем лазером при определенной длине волны. Молекулы лекарства поглощают кванты света в присутствии кислорода, возникают разные фотохимические процессы. Это приводит к генерации синглетного кислорода и высокоактивных радикалов, которые вызывают гибель микробных клеток. Я и моя исследовательская группа предлагаем использовать не просто фотосенситивную молекулу, но и наночастицы, чтобы доставить эту молекулу в нужную точку и сделать лечение ещё более эффективным. Недавно мы написали большой литературный обзор о том, какой прогресс и какие проблемы есть в области лечения микробных инфекций с помощью наночастиц и фотодинамической терапии. Такая доставка позволяет проникнуть на более глубокий уровень ногтевой пластины и тем самым убрать инфекцию не только на поверхности ногтя, но и в её глубоких слоях.

Фотодинамическая терапия — альтернативный способ борьбы с антибиотикорезистентными инфекциями. У неё другой метод действия, в отличие от антибиотиков: токсичный эффект высокоактивных свободных радикалов на жизнедеятельность микробных клеток. Фотодинамическую терапию сейчас изучают не только как способ борьбы с грибковыми инфекциями, но также и на других инфекциях — в том числе и бактериальных. Поэтому, в принципе, это вклад в нечто глобальное.

Близка ли фотодинамическая терапия к использованию на практике

Есть несколько проектов по фотодинамической терапии, которые находятся на клинической стадии, есть несколько, которые уже внедрены и активно используются. Например, фотодинамическая терапия для лечения микробных инфекций полости рта с применением метиленового синего или индоцианина зелёного в качестве фотосенсибилизаторов проходит клинические испытания. Фотодинамическая терапия с вертепорфином уже сейчас активно используется и помогает предотвратить ухудшение зрения у людей в пожилом возрасте. Также фотодинамическая терапия применяется для лечения акне.

Моя технология находится на стадии пробирок. Одна моя коллега исследовала как раз само фотосенситивное вещество, которое я сейчас непосредственно загружаю в наночастицы. Её разработка дошла до стадии клинических исследований, и её протестировали на 20 пациентах. Терапия показала очень хорошие результаты: полное восстановление ногтевой пластины и уничтожение инфекции. Через 3 месяца повторного возобновления инфекции не было.

В случае с наночастицами, как у меня, я думаю, всё сложнее. Не получится так быстро выйти на клинические исследования, потому что к наночастицам всё равно ещё нет полного доверия у тех, кто принимает решения. Я думаю, что также на это влияет много других факторов. И в том числе цена, потому что это всё равно дороже, и способ хранения, потому что наночастицы в этом смысле капризны. Я думаю, что всё-таки люди выбирают пока более доступные альтернативы и оставляют что-то такое сложное на потом или до тех пор, пока мы, учёные, не сделаем эти методы более доступными и дешёвыми.

Фотодинамическая терапия больше применима для инфекций на поверхности: ногтевых, вагинальных, кожных инфекций. Потому что лазер, очевидно, тяжелее погрузить внутрь тела, да и незачем, пока ты можешь просто выпить таблетку. Есть и другие альтернативы. Учёные ищут способы модифицировать нынешние антибиотики таким образом, чтобы резистентности не было, хотя бактерии через некоторое время и к модифицированным антибиотикам тоже развивают устойчивость. Большие исследования ведутся по поводу бактериофагов (вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки). Бактериофаги даже применяют для того, чтобы отключить резистентность у бактерий. Например, недавно команде ученых из Австралии удалось вернуть бактерии Acinetobacter baumannii восприимчивость к бета-лактамным антибиотикам. Кроме этого, развивается персонализированная медицина, где предлагают использовать специальные сенсоры для детектирования того, какая бактерия есть у пациента, какие мутации есть у этой бактерии. Тогда можно выписывать не случайный антибиотик, а тот, что точно может победить инфекцию, даже если она устойчива к другим препаратам, или предложить альтернативное лечение — пусть той же фотодинамической терапией. Но, конечно, персонализированная медицина — это тоже очень дорого, да и подобные способы диагностики пока только на стадии развития.

Фотодинамическая терапия ограничена тем, какие инфекции ей легче лечить. Фотодинамическая терапия вполне существует на рынке, спрос зависит от потребностей. Например, с её помощью люди лечат акне. Кожные заболевания часто легче лечить с помощью какого-нибудь крема, и он будет дешевле стоить, нежели лазерные процедуры. По крайней мере, если крем помогает.

Как устроено обучение на докторантуре в Австралии

На докторантуру даётся 3-4 года, в неё включён твой проект. Твоя самая главная обязанность — завершить его. Тут нет лекций или обязательных семинаров для посещения. Просто есть твой проект, и ты им занимаешься. Контроль от научного руководителя тоже минимальный, во многом тебе можно надеяться только на себя. Ты сам планируешь свои исследования, думаешь, как ты можешь их осуществить, и только ходишь советоваться к научному руководителю раз в две недели. Он рассказывает свои мысли и идеи на этот счёт, направляет, и ты продолжаешь работать. Конечно, рекомендуется по окончанию докторантуры опубликовать результаты.

Здесь очень интересный формат защиты. Не как в Казахстане, когда ты выходишь с презентацией и рассказываешь про свой проект. В конце докторантуры ты пишешь тезис по своим исследованиям. Затем тезис отправляют двум другим рецензентам, которых втайне от тебя выбрал научный руководитель. Потом ждёшь ответа. Обычно он приходит в срок от двух до шести месяцев. Если ты заранее отправил тезис и опубликовал научные статьи по исследованиям, то, вероятнее всего, твой тезис придёт с лучшей оценкой, и его быстрее проверят.

Синдром самозванца

Мне кажется, что большинство учёных, и я в том числе, страдают синдромом самозванца (психологическое явление, при котором человек приписывает свои достижения удачному стечению обстоятельств, попаданию в нужное время и место и т.п., вместо собственных качеств, способностей и усилий — прим. автора). Когда ты оказываешься в новых условиях, например, переехал в другую страну или нашел новую работу, ты узнаёшь много нового, встречаешь много новых людей, они яркие и умные. И тебе вдруг начинает казаться, что ты не можешь с ними равняться. Начинаешь страдать от сравнения или от чувства, что это не твоё место или что ты не заслуживаешь здесь быть. На самом деле, это момент, когда нужно поднажать, и через год «синдрома самозванца» как не бывало. Просто потому что ты прокачался, самооценка повысилась, и жизнь снова прекрасна! И так до тех пор, пока не решил найти новую работу. Так что это вполне нормальный процесс. Осознание того, что у тебя есть синдром самозванца, — это просто умение примириться с ним и использовать в свою пользу. Это способ для понимания, куда двигаться дальше.

А если говорить про научный мир, то сколько умных людей здесь! Можно сразу ложиться и помирать от такого синдрома. Но я понимаю, что наука — это большая командная работа. Большие прорывы совершаются единицами, а ты просто вносишь какой-то свой вклад, чтобы твоя работа помогла будущим великим открытиям, а дискомфорт в виде «синдрома самозванца» только помогает пойти, наконец, и научиться кодить в Python. Ну, чтобы не чувствовать себя «самозванкой» в мире, где данные уже поголовно анализируются с помощью программирования — и не программистами, в том числе.

Продолжать научную карьеру или уходить в индустрию

Когда ты три года занимаешься одной темой, то сильно устаёшь. Бывают такие дни, когда кажется, что всё это — абсолютно бессмысленно. Когда я думаю о постдоке и продолжении научной карьеры, то хочется более осознанно подойти к выбору темы, которой я буду заниматься. Когда ты оканчиваешь бакалавриат и магистратуру, то ты всё ещё зелёный, ещё многого не понимаешь, многие концы не сходятся. Выбор темы иногда получается немного наобум.

Вообще, если говорить о моей области интересов, то это всё-таки нанотехнологии. Сейчас многие учёные говорят, что в биологии, например, важны не только химические процессы, но и физические. Очень много исследований ведётся о динамике в клетке, механике клеток, процессах на поверхности клеток. Сейчас в одной лаборатории работают над подходом к дизайну таблеток с идеей того, что антимикробное вещество должно не только примерно находить бактерию по каким-то химическим взаимодействиям, но ещё «ходить», закрепляться на ней в нужном месте и своими «шагами» делать дыры в клеточной мембране, тем самым ускоряя её гибель. В антибиотик можно вложить эти свойства, если исследовать бактерии именно с физической точки зрения. Эти идеи мне интересны, я бы хотела работать в таком направлении. Также я много слышу о том, что в индустрии (т.е. работе на химические или фармакологические компании) есть больше возможностей для материального роста, чем в академической среде. И это один из пунктов, который останавливает меня перед тем, чтобы сказать, что я точно буду работать в академической среде. Всё-таки уровень моей жизни играет для меня не последнюю роль. Если говорить о странах СНГ, то там пока приходится выбирать: либо хорошая зарплата, либо наука. Я пока в раздумьях.

О перспективах возвращения в Казахстан

Думаю, что если бы я искала позицию пост-докторанта, то нашла бы её. А вот про индустрию в Казахстане я даже не знаю. Я не знаю ситуацию с фармацевтическими компаниями — например, делают ли они исследования сами и разрабатывают свои препараты или просто работают по рецептам из других стран. Но на всякий случай у меня есть первое образование — химическая технология органических веществ. Я всегда могу поехать в Атырау и работать на нефтеперерабатывающем заводе, если это будет не инженерная работа, а та, что связана с разработкой технологий.

Возможно, я бы поехала в Казахстан, чтобы менять структуру образования. Учебники переписывать, программу. Это один из вариантов, в котором я бы хотела вернуться, потому что так у меня была бы большая цель. Когда мы выпускаемся из университета, у нас очень много отрывочных знаний из разных областей. Но редко кто понимает, зачем нам это нужно. Например, мы учим высшую математику, какие-нибудь интегралы и дифференциалы, но нам никто не объясняет, где это применяется. Нам не говорят, что вот, если ты это рассчитаешь, то сможешь, например, использовать это в статистике, для того чтобы рассчитать вот какой-то регион под распределением. А статистика тебе нужна для вот этого и вот этого. Нет связей между теорией и практикой.

Когда мы выходим в мир, у нас очень много времени уходит на то, чтобы эти знания соединить в одну кучу. Я думаю, в науке у нас было бы хорошее будущее, если бы мы начали менять концепцию того, как мы закладываем знания в школе и в университете. Я бы подумала, как вообще строятся предметы, и добавила бы понимания людям, зачем им это знать. Потому что мы, правда, сидим, учим химию и не понимаем, зачем. Это относится и к тому, чтобы дать больше понимания, куда после университета люди могут пойти работать. Кем может стать биолог, кем может стать химик или физик.

О наставничестве и работе с коллегами

В Австралии минимальный процент наставничества. После учёбы здесь я даже не знаю, как оценить влияние и важность наставничества. Наставничество должно быть, но в минимизированном количестве, потому что важно вырастить такого ученика, который может на себя положиться и может себе доверять. Всё-таки должна быть цель — выпустить другого самостоятельного учёного и специалиста, а не человека, который будет помогать тебе статьи писать.

У меня нет наставника. Одна моя подруга говорит, что в наших постсоветских реалиях должен быть наставник: он помогает выбрать направление и как-то пробиваться, исправлять ошибки. Но мне кажется, что важнее делать и исправлять ошибки самостоятельно. Для меня важнее мои коллеги, чем наставник. Мне бы хотелось иметь вокруг людей, которые занимаются не тем же, чем я, но чем-то близком. Представьте себе лабораторию, где работают физик, химик и биолог, статистик и биоинформатик. Всё стремится к тому, что прорывы совершаются на стыке разных областей. Один человек не может знать всего, а вместе вы можете многое: помогать, направлять друг друга, сотрудничать.

Мне хочется иметь рядом коллег, которыми бы я восхищалась, но мне не нужно, чтобы эти коллеги говорили мне, куда идти. Я хочу выбирать это самостоятельно.

Казахстанская наука: пациент жив или мёртв

Я смотрю на студентов из Казахстана, обсуждаю с коллегами то, что происходит в казахстанской науке. Думаю, пациент очень даже жив. Просто от менеджмента больницы тоже многое зависит. Наверное, сейчас важны люди, у которых широкие взгляды и которые могли бы направить процессы в нужное русло. Может, помогло бы определить приоритетные направление, согласно тому, какие в Казахстане есть ресурсы, и двигаться куда-то туда. Я бы сказала, что пациент начнёт поправляться, когда соберется консилиум врачей и они будут принимать решения сообща изначально, зная ответ на вопрос «для чего?».

Данная публикация стала возможной благодаря помощи американского народа, оказанной через Агентство США по международному развитию (USAID) в период с 05.03.2021 по 04.07.2021, и был подготовлен в рамках «Центральноазиатской программы MediaCAMP», реализуемой Internews при финансовой поддержке USAID. Проект «Gylym Faces» несёт ответственность за её содержание, которое не обязательно отражает позицию USAID, Правительства США или Internews.

USAID является ведущим международным агентством развития и выступает катализатором достижения устойчивого развития. Деятельность USAID направлена на продвижение национальной безопасности США и экономического процветания, демонстрирует щедрость американского народа, способствует достижению самообеспеченности и жизнестойкости стран-бенефициаров.