Генетика и биомедицина

Каждый из нас уникален. Эту уникальность в человека закладывает в том числе его геном, который во многом определяет предрасположенность к тем или иным болезням, образу жизни и питания, возможным физическим нагрузкам. Вот почему усредненное лечение часто не дает желаемого результата — мы слишком индивидуальны и каждому требуется персональный подход.

По мнению специалистов, будущее медицины в персонализации, когда каждому пациенту будет предложено наиболее подходящее лекарство в оптимальной для него дозе, а в перспективе создают индивидуальный препарат, редактируют геном, выращивают новые не отторгаемые органы из клеток пациента на замену вышедшим из строя.

На этом пути исследователям в области геномики и молекулярной биологии, специалистам в области тканевой и биоинженерии еще предстоит сделать очень многое. Человеческий организм — сложнейшая система, в которой огромное количество процессов действуют согласовано. В этой системе все ее части и элементы, включая мельчайшие клеточные органеллы, связаны друг с другом. У нас пока нет полного представления, как функционирует эта система. Поэтому исследования тонких процессов на клеточном уровне сегодня крайне актуальны. Не менее важны и прикладные аспекты проблемы — устройства для ранней диагностики заболеваний и мониторинга биометрических параметров.

Участникам конкурса по этому направлению предлагается исследовать биологическую активность организма. Примером школьного проекта может быть исследование концентрации в слюне различных ферментов, соотнесение результатов эксперимента с физиологическими данными участников эксперимента, полученными в ходе анкетирования участников, и интерпретация полученных данных.

1. Разработка репортерного клеточного теста на примере антителозависимой клеточной цитотоксичности для оценки активности терапевтических антител
2. Повышение терапевтического потенциала МСК методами генетической модификации и формирования 3D-структур для лечения критической ишемии нижних конечностей
3. Улучшение работы «генетических ножниц» - системы редактирования генома CRISPR/Cas9
4. Молекулярное профилирование как часть медицины будущего: разработка тест-систем генотипирования однонуклеотидных полиморфизмов при анализе метаболических маркеров для задач спортивной медицины и профилактики заболеваний
5. Исследование влияния модификаций в праймерах на эффективность полимеразной цепной реакции
6. Исследование роли Z-диск-ассоциированных белков (десмин/филамин) в организации актинового цитоскелета мышечных клеток и регуляции уровня внутриклеточного кальция
7. Листопад, летаргический сон, аннигиляция: Тестирование комбинаций современных противоопухолевых препаратов

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Разработка репортерного клеточного теста на примере антителозависимой клеточной цитотоксичности для оценки активности терапевтических антител

Руководители проекта: Черных Ю.С., Козлова Е.С.

Аннотация: Иммунная система человека борется с раковыми клетками, которые образуются спонтанно каждый день. Одним из главных механизмов борьбы с раковыми клетками является антитело зависимая клеточная цитотоксичность (Antibody-dependent cellular cytotoxicity/ ADCC), при которой клетки NK-киллеры распознают раковую клетку и убивают ее. При разработке терапевтических молекул встает проблема измерения эффективности кандидатов антител в ADCC, с целью выбора наиболее эффективных и безопасных. Вместе с нами ребята узнают о том, как c помощью репортерных линий мы можем смоделировать этот процесс in vitro, быстро и воспроизводимо измерять эффективность антител (ED50 - эффективная доза), и главное выбирать наиболее эффективную молекулу для создания лекарственного препарата для терапии онкологических заболеваний. Помимо этого, учащиеся смогут узнать, какие этапы включает ранняя разработка лекарственных средств, как устроена инновационная биотехнологическая лаборатория. Смогут освоить методы работы с клеточными культурами, поучаствуют в процессе создания инженерной клеточной линии, поучаствуют в разработке тест-системы и проведут скрининг новых молекул на предмет противораковой активности.

Партнер проекта: АО «Биокад»

2. Повышение терапевтического потенциала МСК методами генетической модификации и формирования 3D-структур для лечения критической ишемии нижних конечностей

Руководитель проекта: Леонов В.С., Зейналова Э.С., Лыкова М.С.

Аннотация: В последние 10-12 лет исследования и разработки в области регенеративной медицины являются одними из наиболее актуальных в мировой практике.  В тех случаях, когда существующие методы лечения оказываются неэффективными, альтернативой консервативному лечению могут стать методы клеточной терапии, используемые в регенеративной медицине. Одним из таких заболеваний является критическая ишемия нижних конечностей (КИНК) – наиболее тяжелая форма заболевания периферических артерий. Это заболевание всегда сопровождается ухудшением качества жизни, тяжелым течением болезни и высокой смертностью. В связи с этим, клеточная терапия, направленная на восстановление кровообращения и ускорения заживления ран у неизлечимых пациентов с КИНК, является перспективнейшим направлением исследований в этой области. 

Одним из самых востребованных источников для клеточной терапии стали мезенхимальные стволовые клетки (МСК), обладающие уникальными биологическими свойствами.  Благодаря способности секретировать ангиогенные факторы, в первую очередь, фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), клеточные продукты на основе МСК могут быть использованы в терапии ишемических поражений, способствуя формированию сетей коллатеральных сосудов и сосудистого русла. К сожалению, несмотря на многообещающие результаты, полученные в исследованиях на животных, экспериментальное применение МСК для терапевтического ангиогенеза у пациентов с КИНК не дало обещанных преимуществ. Это усиливает потребность в новых методах терапевтического ангиогенеза на основе клеток для лечения пациентов с КИНК.

Целью данного проекта является повышение терапевтического потенциала МСК за счет повышения уровня секреции ангиогенного фактора роста эндотелия сосудов и улучшения выживаемости трансплантированных клеток. Будут получены генетически модифицированные МСК, гиперэкспрессирующие VEGF. Также из МСК будут получены трехмерные шарообразные клеточные структуры (3D сфероиды) с повышенным уровнем экспрессии ангиогенных факторов и потенциально более высокой выживаемостью клеток в ишемической среде. В ходе проекта участники освоят методы культивирования клеток, световой и флуоресцентной микроскопии, переноса генетического материала в клетку (трансфекция плазмид, несущих гены зеленого флуоресцентного белка (GFP) и фактора роста эндотелия (VEGF), методы проточной цитометрии, иммуногистохимии, иммуноферментного анализа, ПЦР.

Партнер проекта: АО «Генериум»

3. Улучшение работы «генетических ножниц» - системы редактирования генома CRISPR/Cas9

Руководители проекта: Пустогаров Н.А., Евменов К.С., Попова В.К.

Аннотация: Метод редактирования геномов «генетическими ножницами», системой CRISPR/Cas9, открывает новые возможности для лечения генетических заболеваний. Однако, для применения этой системы в медицине необходимо повысить ее эффективность и точность.

Участникам программы предлагается включиться в работу по исследованию  характерных особенностей системы CRISPR/Cas9. Это необходимо, для того чтобы повысить эффективность редактирования генома. Для этого в систему будут добавлены несколько белков бактериофагов и далее будет определено их влияние на активность «генетических ножниц». В клеточной линии человека, производящей зеленый флюоресцентный белок,  будет проводиться редактирование его гена в результате чего будет образовываться синий флуоресцентный белок. Так мы сможем определить эффективность редактирования, а также определить влияние дополнительных белков на этот процесс. Участники проекта освоят методы молекулярного клонирования, научатся работать с бактериями и культурой клеток человека, поставят ПЦР в реальном времени, увидят как работает проточный цитометр. В результате мы определим влияние тестируемых белков на работу системы CRISPR/Сas9, ее точность и эффективность

Партнер проекта: Институт молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта Российской академии наук

4. Молекулярное профилирование как часть медицины будущего: разработка тест-систем генотипирования однонуклеотидных полиморфизмов при анализе метаболических маркеров для задач спортивной медицины и профилактики заболеваний

Руководители проекта: Карабельский А.В., Бровин А.Н.

Аннотация: В профессиональном спорте критически важно как можно точнее и подробнее определить генетический и физиологический потенциал каждого спортсмена для достижения максимально возможных спортивных результатов и физических показателей. На данный момент достоверно изучена роль отдельных генетических маркеров, связанных с метаболическими процессами, которые играют критическую роль в ходе восстановления организма после физических нагрузок и при подборе оптимальной программы тренировок и диеты. Точный, быстрый, простой и доступный анализ методом ПЦР в режиме реального времени позволяет произвести исследование по наиболее значимым генетическим мишеням и получить необходимые рекомендации за максимально короткий промежуток времени.  Анализ рассматриваемых мишеней в широкой диагностике, позволит определить метаболические особенности организма, подобрать сбалансированную диету и тип физических нагрузок, что важно при поддержании здорового образа жизни и для предотвращения развития возраст-ассоциированных заболеваний. 

В рамках данного проекта участники разработают диагностический набор на один из генов метаболического обмена, который включает в себя набор праймеров и зондов для ПЦР, ДНК матрицу, полученную методом химического синтеза, реактивы для постановки ПЦР реакции в режиме реального времени. В ходе освоения практического задания участники получат теоретическую и практическую подготовку по темам: химический синтез генов, дизайн оптимальных ПЦР тест-систем, классическая ПЦР для сборки генетических конструкций, анализ ДНК методом гель-электрофореза, клонирование трансгена в плазмидные векторы, трансформация бактериальных клеток, наработка и выделение плазмидной ДНК, анализ нуклеиновых кислот спектрофотометрическим методом, ПЦР в режиме реального времени, анализ данных при генотипировании биологических образцов. Получаемый набор теоретических знаний и навыков будет достаточным для понимания базовых методов молекулярной биологии, медицинской генетики, клинической диагностики. Проект является подготовительным курсом перед изучением технологии полногеномного секвенирования и будет полезен для участников медико-биологической направленности. Также в ходе проекта участники узнают о применении ПЦР в биомедицинских исследованиях, применяемых при разработке инновационных лекарственных препаратов для лечения наследственных заболеваний. Дополнительно участники смогут познакомиться с проектами направления Генная терапия, лабораториями Научного центра генетики и наук о жизни и научными сотрудниками, работающими над созданием препаратов передовой терапии.

Партнер проекта: Университет «Сириус»

5. Исследование влияния модификаций в праймерах на эффективность полимеразной цепной реакции

Руководитель проекта: Дмитриенко Е.В.

Аннотация: Разработка специфичных и высокочувствительных систем анализа нуклеиновых кислот (НК) – актуальная задача для направления «персонализированная медицина». Олигонуклеотиды, содержащие химические модификации, часто обладают улучшенными физико-химическими, молекулярно-биологическими и биологическими свойствами. Изучение свойств модифицированных олигонуклеотидов позволяет усовершенствовать имеющиеся и создать новые системы диагностики и количественного анализа различных НК-маркеров. Показано, что модифицированные олигонуклеотиды могут быть успешно использованы для практических целей, в том числе в ПЦР-диагностике. Для эффективного практического применения модифицированных нуклеиновых кислот необходимо исследовать их свойствами и взаимодействие с НК-процессирующими ферментами. 

В ходе выполнения проекта будет решены следующие научно-практические задачи: 

1) микроэкстракция нуклеиновых кислот с использованием модифицированных магнитных наночастиц: синтез магнитных наночастиц, их модификация, иммобилизация олигонуклеотидных зондов и гибридизация с нуклеиновыми кислотами;
2) исследование олигонуклеотидов, содержащих модификации в различных положениях: спектр оптического поглощения, электрофоретическая подвижность, гибридизационные свойства;
3) исследование влияния положения и количества модификаций в олигонуклеотиде на эффективность проведения полимеразной реакции.

Осуществление предлагаемых исследований откроет возможности для разработки современных систем детекции и количественного анализа различных НК-биомаркеров.

Партнер проекта: Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук

6. Исследование роли Z-диск-ассоциированных белков (десмин/филамин) в организации актинового цитоскелета мышечных клеток и регуляции уровня внутриклеточного кальция

Руководитель проекта: Карпушев А.В.

Аннотация: Структурно-функциональной единицей, отвечающей за сокращение мышечного волокна, является саркомер. Он состоит из тонких актиновых и толстых миозиновых филаментов. Участок торцевого соединения саркомеров называется Z-диск. В его формировании участвуют среди прочих белков филамин С и десмин. Мутации в генах этих белков обнаруживаются у пациентов с кардио и скелетными миопатиями, патологическими нарушениями в мышечных клетках. Работа актин-миозинового комплекса при сокращении мышечного волокна требует участия ионов кальция, основным источником которых является саркоплазматический ретикулум. Надлежащая регуляция высвобождения ионов кальция из ретикулума зависит от архитектуры актинового цитоскелета, а изменения в регуляции кальциевой динамики являются факторами нарушения сократительной функции мышечных клеток.

Целью проекта является изучение молекулярного механизма развития миопатий, ассоциированных с потерей функции белков филамина С и десмина. В мышечных клетках с выключением (нокаутом) генов десмина или филамина С будут исследованы:

– архитектура цитоскелета методом цитохимического окрашивания актиновых и миозиновых филаментов,
– динамика ионов кальция методом эпифлуоресценции,
– экспрессия миозина, филаминов А и В методами вестерн-блот и ПЦР в реальном времени.

Партнер проекта: Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова Минздрава России

7. Листопад, летаргический сон, аннигиляция: Тестирование комбинаций современных противоопухолевых препаратов

Руководители проекта: Демидов О.Н., Богданова Д.А.

Аннотация: Несмотря на значительные успехи в создании новых стратегий и новых лекарственных препаратов для лечения онкологических заболеваний, очень часто не удается полностью вылечить пациентов, у которых диагностирован рак той или иной локализации.  В связи с большим разнообразием опухолевых клеток, их большим потенциалом адаптации к условиям стресса, который защищает их от токсического действия лекарств, монотерапия только одним препаратом редко достигает успеха, некоторые опухолевые клетки выживают и дают ростки новым опухолям.

Партнер проекта: Институт цитологии Российской академии наук