Индивидуальное лечение рака, эмоциональное развитие детей и оптический компьютер: за какие проекты молодым ученым дают президентскую премию

Марина Ширманова,

заместитель директора по науке НИИ экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий ПИМУ

Премию мне дали за достижения в изучении онкологических процессов методами флуоресцентного биоимиджинга in vivo [на живой клетке. — Прим. ред.]. Подобные работы относятся к области экспериментальной онкологии. Все исследования, касающиеся изучения рака или разработки новых подходов к его диагностике и лечению, проводятся либо на живых опухолевых клетках, либо на опухолях животных — это обязательный этап. Суть нашей работы заключается в создании ряда подходов, позволяющих визуализировать, то есть наблюдать опухоль в живом организме мыши. Эти подходы основываются на безопасных, неинвазивных оптических методах. С помощью специальных химических сенсоров и флуоресцентных белков, или даже без применения каких-либо контрастных веществ, мы наблюдаем за некоторыми физиологическими параметрами опухоли: например, это могут быть изменения, связанные с вязкостью, метаболизмом, кислотностью среды.

Мы стараемся понять, как работает опухолевая клетка, чем она функционально отличается от нормальной, как эти параметры реагируют на лечение конкретной опухоли, вовлечены ли они в механизмы действия лекарственных препаратов.

В результате наблюдений было установлено, что опухоли очень гетерогенны и сильно отличаются даже у мышей, не говоря уже об образцах, взятых у разных пациентов. Это действительно сложный объект, и наши исследования подтверждают мысль о том, что нужно развивать персональный подход к лечению.

Некоторые из наших методик могут быстро пойти в клинику, потому что позволяют наблюдать собственные компоненты тканей. Например, мы видим разницу между метаболизмом опухоли и нормальной тканью. Полученные данные пригодятся для диагностики, хирургии, подбора индивидуальной терапии с учетом метаболических особенностей опухолей пациента. Сейчас всем пациентам назначается одинаковое лечение, исходя из типа опухоли и стадий ее развития. Мы считаем, что биологические особенности опухолей должны учитываться — так мы сделаем лечение индивидуальным, а значит, более эффективным.

Сергей Макаров,

главный научный сотрудник физико-технического факультета Национального исследовательского университета ИТМО

Мы разработали технологию по созданию различных полупроводниковых наночастиц, например кремниевых наносфер, — это новая платформа, позволяющая успешно решать проблемы, скажем, точечной доставки лекарств или повышения эффективности солнечных батарей. В процессе мы использовали довольно простые методы, в том числе метод лазерной печати наночастиц, когда на любой поверхности можно напечатать массив из нанокапелек, а также разрабатывали химическую методику создания наночастиц в виде жидкостей в коллоидных растворах. Эти подходы дешевые и высокопроизводительные, однако сам метод без фундаментального понимания и знания свойств наночастиц большого смысла не имеет. Главным для нас было разобраться в том, как можно использовать эти объекты. Всесторонние исследования оптических структур позволили нам понять их преимущества и недостатки. В первую очередь мы планировали достичь максимально контролируемого управления светом в наномасштабе: это может быть свет солнца, лазера или лампы.

Какие практические задачи можно решать с помощью этой платформы? В нашем проекте, например, описано применение наночастиц для более эффективного улавливания света от солнца, причем в тех солнечных батареях, в которых крайне важно улавливать свет в наномасштабе, то есть на тонких пленках.

Наша лаборатория занимается гибкими высокоэффективными солнечными элементами, которые можно наносить на одежду или на окна, делая «умные» стекла — прозрачные солнечные элементы, прикрепляемые к стеклянной поверхности с помощью ламинирования, они поглощают ультрафиолет и вырабатывают электроэнергию.

Нам необходимо повышать эффективность за счет новых материалов, что часто приводит к удорожанию и изменению технологического процесса, а этого мы стараемся избегать. Мы хотели повысить КПД солнечных батарей за счет простого технологического шага — этим шагом стало добавление кремниевых наночастиц, эффективно улавливающих свет. Так мы без особых затрат увеличили производительность солнечных батарей.

Второе направление — это возможность включения одиночных клеток для доставки лекарств к больным клеткам в медицинских целях. Мы создали полимерные микрокапсулы с лекарством, однако возникла сложность: капсулы прозрачны, и их сложно открыть обычно использующимся для этого лазером, не перегрев все остальное. Поэтому, чтобы добиться управляемого вскрытия, в стенки капсул были помещены наночастицы кремния, которые мы облучали. В ходе теоретических исследований мы узнали, при каких условиях они будут нагреваться локально, то есть как управлять этим процессом в пределах одной микрокапсулы, размер которой составляет всего несколько микрометров — а это в десятки раз меньше, чем диаметр человеческого волоса.

Важным эффектом здесь является то, что наночастицы могут не только нагреваться локально, но и менять температуру благодаря оптическому отклику. Это такой наноградусник в одной наночастице, который позволяет и греть клетку, и измерять ее температуру. Мы применили этот метод для транспортировки лекарств, определили температуру, при которой разрушаются капсулы, но не здоровые клетки, и таким образом сделали шаг в сторону реализации таргетированной доставки лекарств.

Также нам удалось усовершенствовать ближнепольный оптический микроскоп — это третье направление наших разработок. Классически такой микроскоп используется для характеризации наномикроструктур и оптических свойств света, локализующегося вокруг них. У микроскопа есть недостаток — он довольно медленный в использовании: чтобы охарактеризовать спектр структуры во всем диапазоне, нужно последовательно использовать сначала синий свет, потом зеленый, потом красный и так далее — обычно процесс получения необходимой информации занимает полдня. Однако мы улучшили такие микроскопы, присоединив к кончику зонда кремниевую и золото-кремниевую наночастицы. Сложность состояла в том, что обычно белый свет невозможно локализовать на таком маленьком объекте, в 150 нанометров — это нарушение законов оптики. Но мы нашли решение: создали наноразмерный источник белого света, и необходимость локализации внешнего света отпала. Этот источник мы в шутку называем нанолампочкой — она действительно очень ярко светит, ее можно увидеть даже через микроскоп. У этой технологии есть очевидный плюс: скорость съемки наномикроструктур выросла в десять раз.

Из последних наших разработок стоит отметить сверхбыстрый модулятор. У современной наноэлектроники до сих пор существуют фундаментальные ограничения, из-за которых она не может справляться с процессами быстрее. Но если мы будем использовать оптические компьютеры, оперируя вместо электронов фотонами, то по законам физики время работы сократится в сотни раз, то есть устройства перейдут на частоту 100 гигагерц. Но в таком случае возникает проблема миниатюризации подобных приборов, иначе компьютеры вернутся к размерам середины XX века. Тут уже надо применять нанофотонику, то есть использовать наночастицы для локализации света и управления им в масштабах, сопоставимых с электронными транзисторами. С этой целью мы предложили использовать одиночные наночастицы, релевантные для управления оптическим сигналом для фотонов, а последние, как мы знаем, больше, чем наночастицы. Нам удалось добиться быстрой модуляции: в пазл вставляется наночастица, затем ее свойства меняются с помощью управляющего импульса: если в начальных условиях она не пропускает оптический сигнал, то после подачи импульса сигнал проходит сквозь нее. Это похоже на классический модулятор, однако прелесть вся в том, что он работает с безумными скоростями — больше 100 гигагерц. Подобное ускорение — большой потенциал, который, как мы надеемся, будет использован для создания контрастных оптических чипов на основе наночастиц, плотно прилегающих друг к другу. Конечно, идеальным вариантом было бы создание компактного оптического компьютера на основе этой платформы.

Александр Веракса,

заведующий кафедрой психологии образования и педагогики факультета психологии МГУ, член-корреспондент Российской академии образования

Наше исследование показывает, какие факторы в психическом развитии человека являются наиболее прогностичными, то есть точнее других предсказывают его дальнейшую успешность в учебе, отношениях с другими людьми и личной жизни. Раньше считалось, что основным таким фактором является интеллектуальное развитие, которое оценивали с помощью тестирования, то есть проверяли умение человека решать познавательные задачи. Теперь мы можем утверждать, что не менее важно умение контролировать свое поведение. Мы показали на различных конкретных примерах — занятиях в детском саду, школьных предметах, спортивной деятельности, — что образовательная программа должна учитывать особенности самоконтроля, саморегуляции ребенка и подбирать соответствующие средства подачи материала. Для детей, у которых уровень саморегуляции ниже по тем или иным причинам, более эффективны эмоционально насыщенные образы, которые дают дополнительную мотивацию, обращают внимание ребенка на изучаемый предмет.

Эффективным способом развития саморегуляции в дошкольном возрасте является игровая деятельность, классическая сюжетно-ролевая игра, которая сейчас, к сожалению, уходит на второй план. Все дело в доминировании телевизионного контента и нередко бесконтрольном использовании гаджетов, которые по сути ограничивают активность ребенка заданными алгоритмами действий. Кроме того, эффективна спортивная деятельность, особенно командные виды спорта: те, кто ими занимается, соотносят свою позицию с точкой зрения других участников, учитывают правила и реагируют на изменение ситуации. Безусловно, полезна любая проектная деятельность: проявленный ребенком интерес поддерживается, становится важным и нужным для его социального окружения, когда результат этого интереса предъявляется в виде продукта, пусть небольшого, но сделанного своими руками.

Нам никуда не деться от гаджетов, и мы не можем запретить детям их использовать. Но бесконтрольное времяпровождение с гаджетами провоцирует импульсивное поведение, разрушающее саморегуляцию. Поэтому взаимодействие дошкольников с гаджетами должно проходить — в самом начале, по крайней мере, — под контролем взрослых и не ограничиваться одними лишь развлечениями.

Наше исследование построено таким образом, что родители каждого ребенка получают конкретные материалы для домашних занятий, а каждый педагог, работающий с этими детьми, получает соответствующие рекомендации. Сейчас часть наших наработок внедрена в программу «От рождения до школы», по которой занимается подавляющее большинство детей в дошкольных образовательных учреждениях в России.