Генетика, персонализированная и прогностическая медицина

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. Поиск новых продуцентов биологически активных веществ в природных местообитаниях
2. Увеличение противоопухолевой активности CAR-T клеток
3. Разработка клеточной модели спинальной мышечной атрофии
4. Как воспаление изменяет функциональные характеристики макрофагов?
5. Потенциальные агенты для генетической терапии и диагностики
6. Изучение распространенности генов устойчивости к макролидам и фторхинолонам

Описание проектов
 

1. Поиск новых продуцентов биологически активных веществ в природных местообитаниях

Руководители проекта: Бирюков М.В., Закалюкина Ю.В., Остерман И.А., Никандрова А.А.

Аннотация: Проект посвящен поиску потенциальных продуцентов новых антибиотиков в объектах окружающей среды. В ходе работы будет проведен отбор проб почв, морской воды и донных осадков, растительных субстратов и произведен из них микробиологический посев, с целью выделить представителей филума актинобактерий с последующим культивированием  в лабораторных условиях. Выделенные культуры будут протестированы на способность вырабатывать антибиотические вещества: в качестве тест-объектов будут использованы особые генетически-модифицированные микроорганизмы-биосенсоры (на основе E.coli - кишечной палочки), которые позволяют быстро  оценить эффективность, а главное, механизм действия продуцируемой молекулы. Штаммы актинобактерий, проявившие наибольшую активность, будут культивироваться в оптимальных условиях и будет произведена первичная идентификация их продуктов. Так же будет произведена филогенетическая идентификация штаммов с помощью ПЦР, секвенирования и биоинформатической обработки результатов. Помимо этого мы познакомимся и с классическими методами исследования бактерий с помощью микроскопа, биохимических тестов и т.д. 

Партнеры проекта: Сколковский институт науки и технологий, МГУ, РФФИ

2. Увеличение противоопухолевой активности CAR-T клеток

Руководители проекта: Малашичева А.Б., Петухов А.В., Демидов О.Н., Григораш Б.Б.

Аннотация: Онкологические заболевания являются одной их основных причин смертности людей. Несмотря на некоторые успехи в борьбе с этой патологией, проблема  низкой эффективности лечения опухолевых заболеваний остается одной из самых актуальных для современой биомедицины. Введение онкологическим больным клеток с химерным Т-рецептором (CAR-T-клетки) к специфическим опухолевым антигенам — это новейший способ лечения онкологических больных, соединяющий в себе последние наработки в области генной инженерии и иммунологии. Участники  проекта узнают, как конструировать химерный Т-рецептор и CAR-T-клетки, специфически распознающие опухоль, промоделируют уничтожение клеток опухоли CAR-T-клетками, изучат факторы, негативно влияющие на данный тип противоопухолевой терапии  и  проведут научное исследование, направленное на поиск новых подходов увеличения эффективности CAR-T-клеток в борьбе с опухолями.

Партнер проекта: Институт цитологии РАН, ФГБУ «НМИЦ имени В.А. Алмазова» Минздрава России

3. Разработка клеточной модели спинальной мышечной атрофии

Руководители проекта: Мадера Д.А., Владимирова А., Шеуджен Т.М., Цветкова А., Перекуча Н.

Аннотация: Мутации в гене SMN1, приводящие к потере его функции, являются причиной смертельного или инвалидизирующего наследственного заболевания спинальная мышечная атрофия (СМА), вызванного постепенной смертью моторных нейронов и, как следствие, деградацией мышечной ткани. Для лечения таких больных необходимо создать препарат, который восстанавливает экспрессию и функцию SMN1.

Оптимальным (наиболее быстрым и экономически выгодным) методом проверки вариантов препаратов является их проверка на клеточных моделях. В клетках можно «имитировать» резкое снижение экспрессии (knockdown) SMN1 с помощью ингибирования его транскрипции малыми интерферирующими РНК (siRNA), а потом восстановить экспрессию SMN1 с помощью препарата. Если при этом иметь тесты, которые отражают реальные функции SMN1, то получится клеточная модель, частично отражающая СМА на молекулярном уровне. Именно эти клеточные модели можно впоследствии «вылечить», тем самым проверив эффективность препаратов.

В рамках данного проекта предлагается разработать тест на восстановление экспрессии SMN1, и проверить, какие варианты рекомбинантного вирусного препарата лучше её восстанавливают. Это важный этап для разработки препарата и выстраивания биотехнологической цепочки к производству.

Партнер проекта: BIOCAD

4. Как воспаление изменяет функциональные характеристики макрофагов? 

Руководители проекта: Друцкая М.С., Юракова Т.Р., Полинова А.И., Дыгай А.П., Губернаторова Е.О., Горшкова Е.А.

Аннотация: Воспаление — это защитная реакция организма на повреждение или проникновение патогена,  необходимая для полноценного иммунного ответа. Однако в ряде заболеваний нарушенная регуляция иммунного ответа приводит либо к избыточному острому воспалению, наблюдаемому при сепсисе или при тяжелом течении COVID-19, либо к хроническому воспалению, как в случае некоторых аутоиммунных заболеваний.

Ключевую роль в индукции и поддержании воспаления на клеточном уровне выполняют макрофаги, а на молекулярном — провоспалительные цитокины,  белки, которые выделяют активированные макрофаги. На поверхности и внутри макрофагов располагаются специализированные рецепторы врожденной иммунной защиты, которые помогают им распознать бактерии, вирусы, грибы и прочие опасные объекты. Получив такой сигнал, макрофаги претерпевают ряд метаболических изменений, переходят с окислительного фосфорилирования на гликолиз, что в совокупности с продукцией провоспалительных цитокинов способствует развитию и поддержанию воспаления. Исследования последних лет выявили ключевую роль метаболических изменений в функционировании иммунной системы.

Участникам проекта будет предоставлена возможность самостоятельно смоделировать воспалительный ответ в макрофагах и понять, что происходит внутри клеток и вокруг них на молекулярном уровне. Работа включает в себя получение первичных культур макрофагов из костного мозга мыши, их активацию различными молекулярными факторами и последующий анализ активации сигнального пути от рецепторов врожденного иммунитета. Для этого участники проекта будут измерять уровень экспрессии основных провоспалительных цитокинов методами количественного РТ-ПЦР в реальном времени и иммуноферментного анализа, а также следить за метаболическими изменениями в макрофагах на приборе SeaHorse XFe24. Изучение механизмов патологического воспаления и поиск подходов к их блокировке лежит в основе терапии многих заболеваний, связанных как с острым, так и с хроническим воспалением.

Партнер проекта: Институт молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН

5. Потенциальные агенты для генетической терапии и диагностики

Руководители проекта: Новопашина Д.С., Саковина Л.В.

Аннотация: Наиболее удобным методом детекции образования комплексов в геле является использование флуоресцентных меток, которые могут быть введены в состав одного из компонентов комплекса. Мы будем использовать удивительный метод «клик»-химии для введения флуоресцентных меток в нуклеиновые кислоты.  Метод задержки в геле позволяет определять параметры взаимодействия между биомолекулами, например, между ген-направленным соединением и его НК-мишенью (в данном проекте РНК).  Методом анализа комплексов в нативном геле можно определять константы ассоциации/диссоциации комплексов и прогнозировать возможную биологическую эффективность ген-направленных соединений в реальных биологических системах.

Структура ген-направленных соединений, а именно, количество нуклеотидных звеньев, их природа и дополнительные химические модификации могут значительно влиять на их способность взаимодействовать с РНК. Данный проект направлен на создание ген-направленных соединений и исследование их связывания с РНК-мишенью методом задержки в геле. Результаты проекта будут представлять практическую ценность для создания научно-исследовательских инструментов, перспективных инструментов терапии и диагностики генетических заболеваний.

Партнер проекта: Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН

6. Изучение распространенности генов устойчивости к макролидам и фторхинолонам

Руководители проекта: Карташов М.Ю., Прасолова М.А.

Аннотация: Проблемы возникновения, распространения и эволюции резистентности микробов к антибиотикам находятся в центре внимания клинической микробиологии. Антибиотикорезистентность расценивают как одну из значимых угроз для человечества в XXI веке. Это связано с тем, что на фоне замедления разработки новых антимикробных препаратов наблюдается повсеместный рост резистентности к ним и появление панрезистентных штаммов микробов. Данная проблема в отношении макролидов и фторхинолонов приобретает особую актуальность на фоне пандемии COVID-19, так как эти антибиотики активно использовались для лечения осложнений при данном вирусном заболевании. В данном проекте мы попробуем оценить представленность генов резистентности к фторхинолонам и макролидам в штаммах нозокоминальных инфекций, а также в окружающей среде.

Партнер проекта: АО «Вектор-Бест», СУНЦ НГУ