Применение микроводорослей в медицине

Как микроводоросли используются в медицине? Как водоросли помогают лечить рак и создавать новые соединения при переломах? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Если мы говорим про водоросли в медицине, то мы должны обозначить три основные проблемы, которые пытаются решить в настоящее время медики и фармацевтические компании. В первую очередь это борьба с раковыми заболеваниями, различными опухолями. Также это проблема создания новых лекарств — противовирусные препараты или препараты против гриппа. И наконец, проблема широкого распространения заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой. Водоросли могут быть полезны при решении этих проблем.

Первый пример, который я приведу, — это проблема сердечно-сосудистых заболеваний и образование тромбов в сосудах. Сейчас проводятся разработки, связанные с созданием биотемплейтов (от template — «шаблон»), или биошаблонов. Используются водоросли либо биологические объекты с нанесением на их поверхность химических веществ. Этот комплекс можно использовать при борьбе с тромбами. Тромб очень тяжело разрушить, он бывает настолько крупный, что применение каких-либо химических веществ, которые вводятся в кровь, не позволяет его уничтожить. То есть химические соединения работают на поверхности тромба, происходит лизис, но это не позволяет избавиться от него. Новые разработки, которые сейчас ведутся в мире, в том числе и в России, связаны с тем, что для решения этой проблемы мы можем использовать водоросли, например широко известную спирулину. На нее наносятся прочные химические вещества — такие работы велись с оксидом титана.

В целом водоросли используются столетиями, и в первую очередь это макроводоросли. Их легко увидеть, они выбрасывались на берег, люди их собирали и ели. Очень давно люди поняли, что это оказывает благоприятный эффект на организм. Использование макроскопических водорослей было началом понимания того, что все группы водорослей могут быть полезны для человека. С 1970-х годов в разработки стали включаться микроводоросли. Это связано с биомиметикой — направлением науки, где используются природные объекты, организмы и на их основе создается что-то новое. Использование трансмиссионного микроскопа показало, что водоросли обладают уникальной структурой.

Мы должны упомянуть диатомовые водоросли, образующие панцири на своей поверхности, которые покрыты разными дырочками и выростами и которые могут являться прекрасным объектом для биомиметики. Различные соединения между клетками, разные опоры, выросты — это то, что используют сейчас в своих разработках, в том числе в медицине, люди, когда нужно создать новые виды соединений при переломах.

Другим направлением использования микроводорослей являются последние геномные исследования и вообще анализы генома водорослей. Мы сейчас поняли, что водоросли включают огромное количество генов, которые могут быть использованы при геномных работах для получения важных веществ. Я приведу пример, связанный с работой нашей лаборатории, — это разработка и получение фукоксантина. Фукоксантин — это каротиноид, который выделяется красными и диатомовыми водорослями и применяется для разработки лекарств. Последние работы показали, что фукоксантин является хорошим противораковым веществом: уменьшает опухоли на ранних стадиях. Соответственно, надо было найти водоросли, которые продуцируют это вещество. Мы знали, что красные водоросли, макроскопические водоросли продуцируют фукоксантин. Но оказалось, что если взять микроводоросли, то количество фукоксантина на единицу величины будет больше, чем от макроводорослей. При этом микроводоросли очень быстро растут, дают большой объем биомассы и могут занимать меньший объем. Их проще выращивать в условиях фабрик и ферм для водорослей.

В поиске фукоксантина мы посмотрели работы наших американских коллег, которые показали, что именно диатомовые водоросли, имеющие ту же часть генома, что и красные водоросли, продуцируют фукоксантин. Мы взяли другую группу водорослей — золотистые водоросли, родственников диатомовых — и обнаружили, что часть золотистых водорослей продуцируют фукоксантин в три раза больше, чем все известные до этого водоросли, которые были изучены нашими коллегами. Этот пример показывает связь между фундаментальной наукой — знанием видов, знанием эволюции, таксонов, филогении — и прикладным использованием водорослей.

В настоящее время очень важен в медицине не только поиск не химических веществ, но и поиск различных биополимеров. Например, сейчас ведутся работы по изучению хитина, вырабатываемого водорослями. Хитин — это биополимер, широко использующийся в медицине: различные повязки, заживляющие мази. Когда мы получаем хитин из крупных объектов, то мы получаем более крупную массу хитина. А водоросли интересны тем, что они продуцируют наноструктуры хитина, которые сейчас изучаются и которые можно использовать в медицине. Например, некоторые имплантаты, разрабатываемые сейчас, могут включать в себя хитин, продуцируемый диатомовыми водорослями. Сейчас ведутся работы, где показано, что диатомовые продуцируют хитиновые тяжи, которые можно получать с определенной структурой и использовать для медицинских целей.

Также мы должны сказать о том значении, которое водоросли имеют при создании новых лекарств. Здесь важны результаты работы, связанные с разработкой лекарств против рака. В своей группе мы проводили работы, где оценивали воздействие различных микроводорослей на раковые клетки. Оказалось, что есть виды микроводорослей, сильно влияющие на рак, то есть убивают раковые клетки в большом количестве. Самое интересное было то, что это виды, которые до настоящего момента не описаны наукой. Поиск микроводорослей продолжается.

Всем известно, что водоросли являются хорошими антиоксидантами. Из водорослей вырабатывают антибиотики. Проблема заключается в том, что антибиотики все меньше и меньше работают. Новым направлением в медицине и фармацевтике является получение новых видов антибиотиков, где водоросли имеют огромное значение. Например, такое вещество, как циановерин N, которое получают из ностока, из сине-зеленых водорослей — а сейчас это цианобактерии, — является хорошим антивирусным веществом с антивирусной активностью. Водоросли используются как противовоспалительные средства, для уменьшения холестерина, где работают различные полисахариды, которые выделяются водорослями.