Хітін - «нерозкручена зірка» полісахаридів

Всі знають про целюлозу: за загальним обсягом органічної маси цей полісахарид займає перше місце Землі. І всі знають, наскільки важливим є цей вуглевод для промисловості. А от про полісахарид, який стоїть на другому місці за своєю масою і не менш корисний людині, — хітину — пам'ятають хіба що любителі біології. Речовина є основним компонентом екзоскелету (панцир та клешні) членистоногих та деяких безхребетних, а також входить до складу клітинної стінки грибів та бактерій. Про неймовірні властивості хітину та їх застосування в медицині, харчовій промисловості та радіаційному захисті говорили на спільній науковій сесії Російського хітинового товариства та кафедри технології м'ясних, рибних продуктів та консервування холодом Університету ІТМО.

Старий личинковий (причеплений до дерева) і новий безбарвний хітинові екзоскелети цикади звичайної при переході з німфи в стадію імаго. Фото: Jodelet / Lépinay / wikipedia.org (CC BY-SA 2.0 fr)

У природі хітин виконує захисну та опорну функції, забезпечуючи міцність ракоподібних, грибів та бактерій. У цьому він схожий на целюлозу, яка є опорним матеріалом клітинної стінки рослин. Але хітин є більш реакційним, йдеться в матеріалах Російського хітинового суспільства. При нагріванні та обробці концентрованим лугом він перетворюється на хітозан. Цей полімер може розчинятися у розчинах розведених кислот, а також зв'язуватися та реагувати з іншими хімічними речовинами. Таким чином, іноді хіміки називають хітозан "конструктором", за допомогою якого можна створювати різні полімери.Щоб отримати хітин у чистому вигляді, з органічних речовин, що містять його, видаляють білок, кальцій та інші мінерали, переводячи їх у розчинну форму. В результаті виходить хітинова крихта.

«Для отримання хітину використовуються ракоподібні, гриби та комахи. До речі, ця речовина була вперше виявлена ​​в печерицях. Застосування хітину та похідного від нього хітозану лише розширюється. Полісахарид входить до складу харчових добавок, ліків, протиопікових препаратів, розчинних хірургічних ниток, використовується в протирадіаційних цілях та в багатьох інших. Хітозан – це корисна річ, яка потребує подальшого вивчення», - прокоментував президент Російського хітинового товариства, доктор хімічних наук Валерій Варламов

Хітін у медицині Завдяки тому, що хітозан відмінно реагує з іншими хімічними речовинами, на ланцюжок полімеру можна «навішувати», наприклад, ліки та рецептори. Таким чином, діюча речовина вивільнятиметься тільки там, де вона потрібна, не піддаючи токсикозу весь організм. Більш того, хітозан сам по собі зовсім не токсичний для живих істот, наголосив професор Всеросійського науково-дослідного та технологічного інституту біологічної промисловості. Олексій Албулов. Університет ІТМО. Олексій Албулов Хітозан також використовується як БАД. Наприклад, його низькомолекулярна фракція безпосередньо всмоктується до крові та працює на рівні імунної системи. Середньомолекулярна фракція є антибактеріальним компонентом, який пригнічує розвиток патогенної мікрофлори в кишечнику. Крім того, вона сприяє утворенню плівки на слизових оболонках кишківника, яка захищає їх від запалення.При цьому плівка швидко розчиняється, що є важливим для застосування в медицині. Високомолекулярна фракція хітозану служить як сорбент для токсинів, які є в шлунково-кишковому тракті.

«Ми знаємо багато сорбентів, які також мають шкідливі для людини властивості - вони всмоктуються, відкладаються в м'язах і кістках. Хітозан позбавлений цих побічних ефектів. Більш того, він може сорбувати екстракти трав, які у зв'язці з ним довго не втрачають своїх корисних властивостей, і використовуватися як БАД. Також хітозан використовується в гелевій формі для лікування захворювань ротової порожнини або опіків.», - Додав Олексій Албулов.

Крім того, хітозан має протипухлинний ефект, тому може застосовуватися для профілактики раку, підкреслила вчений секретар Інституту мікробіології ім. С. Н. Виноградського РАН Ірина Мисякіна. Речовина знижує рівень холестерину, оскільки пов'язує харчові ліпіди та перешкоджає всмоктуванню жирів із кишечника. Також ведуться дослідження застосування хітозану як медичні імпланти. Університет ІТМО. Наукова сесія Російського хітинового товариства Хітін та генна терапія Генна терапія зараз активно розвивається. За допомогою наукового методу можна усунути активність того чи іншого «шкідливого» гена або замість нього вставити інший. Але для того щоб це зробити, необхідно якимось чином доставляти «потрібну» генну інформацію в клітину. Раніше для цього використовувалися віруси, проте ця система має безліч недоліків: канцерогенність і дорожнеча насамперед підкреслив співробітник Санкт-Петербурзької державної хіміко-фармацевтичної академії. Андрій КритченковАле за допомогою хітозану можна доставляти необхідну генну інформацію в клітину без шкідливих наслідків і відносно дешево.

«Невірусні вектори для доставки РНК можна буквально музично налаштовувати за допомогою хімічних модифікацій.», - розповів учений.

Хітін у харчовій промисловості Здатність хітозану до абсорбування використовується в пивоварінні для видалення осаду. професор кафедри харчової біотехнології продуктів з рослинної сировини Університету ІТМО Тетяна МеледінаПро використання хітозану для збереження свіжості сирого м'яса розповів доцент кафедри. Денис БараненкоДля цього плівка з хітозану в складі з іншими речовинами (крохмаль, клітковина або желатин) була нанесена на продукт, щоб запобігти втраті вологи. швидкість поширення мікробів у сирому м'ясі, пригнічує появу бактерії золотистого стафілокока. Університет ІТМО.

«Зазвичай свіже м'ясо зберігається трохи більше двох днів.Крім того, з погляду споживчих властивостей, плівка з хітозану - ідеальне пакування, оскільки її практично не видно», - сказав Денис Бараненко.

Хітозан у харчовій індустрії також застосовується для згортання сироваткових білків у молочній промисловості, для виробництва йодованих продуктів харчування на основі створення комплексів «йод-хітозан» та інших цілей. На науковій сесії також були представлені можливості Університету ІТМО з розробок та досліджень у галузі застосування хітозану.

Бунт, розподіл, безсмертя: чому клітини стають пухлинними і що з цим може робити наука

Рак — одна з провідних причин смертності у всьому світі: у 2020 році на його частку припало майже 10 млн. летальних випадків. Розвиток захворювання починається з розподілу однієї клітини, у якій відбулися мутації. Про те, як звичайні клітини стають пухлинними, які особливості вони мають і з якими з цих властивостей вже може боротися наука, розповіла студентка магістратури міжнародного наукового центру SCAMT ІТМО Євгенія Платонова.

Чому людина хворіє на рак?

Рак - це хвороба багатоклітинних, тому що для розвитку цього захворювання потрібно, щоб клітини ділилися. У звичайному стані здорові клітини багатоклітинних організмів дотримуються певних правил, які допомагають особи повноцінно функціонувати і залишатися здоровою. Ракова клітина навпаки поводиться як бунтар, який ці правила порушує, поширюючи свій дефектний генетичний матеріал і, як наслідок, шкодить цілому організму.

Що змушує клітину поводитися саме так?

Головна причина, чому клітина набуває властивостей пухлинної — мутації ДНК або, іншими словами, зміна послідовності нуклеотидів.Найчастіше до раку призводять мутації в онкогенах та онкосупресорах. Поява мутацій провокують різні мутагенні фактори, що постійно впливають на клітини. Наприклад, для клітин епітелію дихальних шляхів – це куріння, для печінки – алкоголь та токсичні речовини. При цьому мутації, які запустять злоякісну трансформацію клітини, можуть виникнути і випадково. При кожному розподілі клітини відбувається подвоєння її ДНК, і цей процес природно супроводжують помилки. Чим довше клітина живе і що більше циклів поділу зазнає, то більше в неї можливість накопичити набір мутацій, що призведе до появи пухлинних властивостей. Частково через це ризик онкологічних захворювань збільшується з віком. Онкогени - це гени, які в разі активації будуть здатні дати клітині одну з властивостей, яка може призвести до того, що вона стане злоякісною. Гени, що мутують, щоб стати онкогенами, називають протоонкогенами. Онкосупресори - Це гени, які кодують білки, що пригнічують пухлинні властивості. Ці білки здатні заблокувати клітинний цикл у разі наявності непоправних ушкоджень ДНК та запустити програму загибелі клітин. Коли мутація трапляється в протоонкогені і одночасно в гені-супресорі пухлин, то ймовірність того, що клітина стане злоякісною, вкотре зростає. Це можна пояснити за допомогою аналогії з автомобілем: уявіть, що рух машини це клітинний поділ. Онкогени - це педаль газу, яку заклинило через поломку (мутацію), тому машина мчить вперед незалежно від того, натискають на педаль чи ні.При цьому машина має гальма, які намагаються працювати, але через велике навантаження з часом згоряють, — це онкосупресори. Якщо поломка трапилася і з педаллю газу, і з гальмами, машині не уникнути аварії.

Класичні ключові ознаки ракової клітини

У 2000 році біологи Роберт Вайнберг і Дуглас Ханахан опублікували статтю The Hallmarks of Cancer в журналі Cell, в якій перерахували ключові ознаки ракових клітин. Ілюстрація статті біологів Роберта Вайнберга і Дугласа Ханахана в журналі Cell. Тут вони пропонують розглядати пухлини як складні тканини, в яких ракові клітини, що мутували, мобілізували і підірвали життєдіяльність нормальних типів клітин. Джерело: www.cell.com Самі постачають себе сигналами, щоб рости та ділитися. Зазвичай здорові клітини розмножуються лише за наявності чинників зростання — певних стимулюючих сигналів ззовні. Такими сигналами можуть бути молекули або гормони, які активують рецептори клітини, щоб запустити або придушити роботу будь-якого гена. Ракові клітини не потребують таких сигналів ззовні і можуть видобувати їх самостійно. Наприклад, вони можуть робити це за допомогою аутокринної регуляції - цей процес означає, що ракові клітини самі виробляють гормони та інші хімічні речовини, щоб почати ділитися та рости. Інший спосіб - паракринне регулювання, при якій ракова клітина синтезує фактори росту за допомогою сусідніх клітин, змінюючи їх поведінку. Також ракові клітини здатні впливати на сигнальні білки. Наприклад, модифікувати їх таким чином, щоб вони не потребували активації рецепторів і були активними за умовчанням.Тоді сигнальні білки будуть передавати сигнали про розподіл клітини, і та буде ділитися незалежно від навколишнього середовища та наявності в ній факторів зростання. Ігнорують сигнали від оточення, які б загальмували їх поділЯкщо ДНК клітини сильно пошкоджена, в роботу включаються білки-супресори, які здатні сприймати зовнішні та внутрішні сигнали про те, що щось йде не так. вважається ключовим сенсором ушкодження клітинної ДНК, у тому числі і при розвитку онкологічних захворювань. Клітини розірвано, то передасть останній сигнал про те, що потрібно зупинити клітинний цикл. змушує їх мутувати чи скорочує їх кількість. сигнали, які мають зупинити її розмноження. Не хочуть помиратиРакова клітина чинить опір апоптозу — програмованій клітинній загибелі. набувати онкогенних функцій. Реплікативне безсмертя.У еукаріотичних клітин існує межа того, скільки разів вони можуть поділитися - в середньому він становить 50-70 разів.При кожному розподілі клітини її хромосома коротшає в кінцевих ділянках - теломерах, свого роду "захисних ковпачках" хромосом. Теломери не дають хромосомі пошкодитися та «склеїтися» з іншими хромосомами. З кожним розподілом клітини теломери коротшають, а після певної кількості зникають зовсім — тоді клітина запускає програму самознищення. Ракові клітини компенсують укорочування теломер за допомогою теломерази - спеціального ферменту, який подовжує кінцеві ділянки хромосом і робить клітину безсмертною. Теломераза майже не активна у здорових соматичних клітинах, але виробляється у ракових клітинах, які вже пройшли певний шлях поділу. Завдяки цьому ракові клітини мають необмежений реплікативний потенціал, тобто можуть ділитися нескінченно. 3D-візуалізація хромосоми з теломерами на кінцях. Джерело: Axel Kock / photogenica.ru Формують навколо себе нові кровоносні судини. Ангіогенез - процес утворення нових кровоносних судин в органі чи тканині. Кровоносні судини мають складну будову, тому для їхнього будівництва клітині потрібні ресурси та певний порядок дій. Зазвичай клітини запускають ангіогенез, коли отримують сигнали з міжклітинного простору про те, що потрібні судини. Наприклад, це відбувається під час розвитку ембріонів, при загоєнні ран та протягом менструального циклу. Ракові клітини вміють зламувати ці сигнали, ініціюючи створення нових кровоносних судин у місцях свого скупчення. Це дозволяє клітинам забезпечити постійний приплив кисню та інших поживних речовин до пухлини, що росте. Метастазування. Ракові клітини здатні відриватися від місця свого походження та проникати у сусідні тканини.За рахунок цієї властивості пухлина може поширюватись по всьому організму. Для цього клітини повинні проникнути в сусідні тканини, зазнати епітеліально-мезенхімальний перехід (зокрема, втратити зв'язки з іншими клітинами епітеліального шару та базальною мембраною, змінити форму тощо), проникнути в навколишні тканини через базальну мембрану, а потім потрапити до кровоносних судин. , впровадитись через них в інші органи та почати ділитися. У цьому процесі більшість клітин гине, а проходять відбір і виживають найбільш злоякісні. Пізніше список ключових ознак раку було доповнено.

Як із цими суперздібностями ракових клітин вже може боротися наука

Традиційні способи лікування раку засновані на хірургічних методах, а також на хіміотерапії та радіотерапії. Останні способи націлені на те, щоб пошкоджувати ДНК клітин, що часто діляться, різними хімічними і фізичними агентами. Однак при такому лікуванні можуть страждати не лише ракові, а й здорові клітини, зокрема клітини епітелію та крові. Щоб вирішити цю проблему, вчені розробляють нові способи лікування, спрямовані на певні властивості пухлинних клітин. Новий підхід до діагностики та терапії раку з використанням наночастинок, запропонований вченими ІТМО. На зображенні подано основні етапи розробки композитних наночастинок. На першому етапі за допомогою двостадійного гідротермального синтезу було отримано магнітні наночастинки зі структурою ядро-оболонки. На другому їх проаналізували на здатність виявляти контрастні властивості, розігріватися у зовнішньому магнітному полі та посилювати ренгенівське випромінювання для послідовної діагностики та терапії. Джерело: pubs.rsc.org Зупинити безконтрольний поділ. Один із «пускових механізмів» раку молочної залози та шлунка – рецептор HER-2. Активація цього рецептора запускає розмноження клітини та робить її злоякіснішою. Щоб заблокувати цей рецептор і зупинити поділ ракових клітин, вчені використовують таргетні препарати, наприклад, трастузумаб. Він ґрунтується на спеціальних білках, які зв'язуються з рецептором HER-2 і не дають йому взаємодіяти з фактором росту, пригнічуючи надмірні сигнали до поділу клітин. Повернути контроль над клітинним циклом. Щоб клітина не ділилася нескінченно та вчасно вмирала, вчені використовують інгібітори циклін-залежних кіназ. Це білки, які пригнічують виробництво ферментів, що у регуляції клітинного циклу. Наприклад, для лікування раку молочної залози використовують інгібітор, що пригнічує CDK 4/6 – речовину, яка ініціює ріст та реплікацію клітин при раку. Дані доклінічних досліджень показали, що подвійне пригнічення CDK 4/6 і сигнального шляху ER блокує ріст клітин при раку молочної залози в першій фазі клітинного циклу.

• Впливати або на сам білок VEGF, або на його рецептор іншим білком так, щоб білок VEGF і його рецептор більше не змогли зв'язатися один з одним, а отже, і надсилати сигнали для ангіогенезу. Зокрема для цього використовують моноклональні антитіла, що нейтралізують, — препарати, які з вибірково блокують молекулярні мішені, що провокують пухлинний процес.
• Синтезувати білки, які будуть схожі на рецептори білка VEGF - з їх допомогою можна пов'язати частину білка VEGF, що є в міжклітинному просторі. Тоді менше молекул VEGF сягне своїх справжніх рецепторів, і, отже, сигнал до створення судин буде слабший.

Матеріал підготовлений за мотивами лекції Євгенії Платонової «Як клітина стає пухлинною», яка відбулася у березні у бібліотеці «Планетарій 1».