18 октября в России отмечается День биотехнолога. В Академическом университете имени Ж. И. Алфёрова РАН биологические исследования охватывают широкий круг направлений — от изучения живых систем и создания биоэлектронных устройств до разработки технологий для биомедицины и фармацевтики. В преддверии профессионального праздника рассказываем о нескольких проектах учёных университета и о том, как научные разработки становятся основой для новых технологических решений.
Современные биотехнологии развиваются на стыке разных дисциплин. Биология, физика, химия, материаловедение и инженерия объединяются, чтобы решать задачи фундаментальной науки и находить новые подходы к диагностике и лечению заболеваний, исследованию лекарственных препаратов и созданию биомедицинских технологий.
В Академическом университете им. Ж. И. Алферова биологические исследования ведутся по многим направлениям, а научные коллективы работают над широким спектром задач. В этой статье мы расскажем лишь о некоторых разработках, которые показывают разнообразие исследовательских подходов и возможности практического применения университетских технологий.
Биоэлектроника для восстановления зрения
Молодёжная лаборатория биоэлектроники разрабатывает технологию изготовления гибких полиимидных биоэлектронных устройств, в том числе прототип зрительного импланта для восстановления зрительной функции при дегенеративных заболеваниях сетчатки.
Пигментный ретинит и возрастная макулярная дегенерация могут приводить к необратимой потере зрения. При этих заболеваниях постепенно разрушаются фоторецепторы — светочувствительные клетки сетчатки, палочки и колбочки. При этом другие нейронные слои сетчатки могут частично сохранять жизнеспособность. Это создаёт возможность воздействовать на них с помощью электрической стимуляции.
Для этого разрабатываются зрительные протезы — устройства, состоящие из массивов микроэлектродов и электронной системы управления. Микроэлектроды позволяют стимулировать сохранившиеся нервные клетки сетчатки, частично компенсируя утраченные функции фоторецепторов.
Одно из препятствий для широкого применения подобных устройств — высокая стоимость их изготовления. В Молодёжной лаборатории биоэлектроники разработана технология производства гибких полиимидных биоэлектронных приборов, которая не требует стандартного фотолитографического оборудования и дорогостоящих расходных материалов. Такой подход открывает возможности для создания более доступных устройств, в том числе зрительных имплантов.
Разрабатываемый прототип состоит из двух основных частей. Внутриглазная часть представляет собой мультиэлектродный массив, устанавливаемый под сетчатку в области расположения погибших фоторецепторов. Внеглазная часть включает контактные площадки, размещённые в силиконовой ленте, которая фиксирует устройство снаружи глаза. К площадкам можно подключать внешнюю электронику для управления электрической стимуляцией по заданной схеме. Конструкция также позволяет регистрировать электрическую активность сетчатки в ответ на стимуляцию.
Работа над устройством ведётся в сотрудничестве с Санкт-Петербургским филиалом МНТК «Микрохирургия глаза» имени академика С. Н. Фёдорова, где проходит клиническое тестирование созданного прототипа.
В проекте участвуют Даниил Ступин, Анна Абелит, Наталья Бойцова, Антон Корнев, Людмила Яковлева, Марина Гагарина и Константин Котляр.
Микрофлюидика для биомедицины и фармацевтики
Ещё одно направление исследований представлено группой микрофлюидики лаборатории бионанотехнологий Академического университета. Более семи лет специалисты под руководством Антона Сергеевича Букатина и Никиты Алексеевича Филатова занимаются прикладными исследованиями в области микрофлюидики для биомедицины и биологических исследований.
Микрофлюидика позволяет управлять небольшими объёмами жидкостей в специальных микроканалах. Точный контроль потоков помогает получать частицы с заданными характеристиками, исследовать взаимодействие веществ и создавать компактные модели биологических систем. Такие технологии востребованы при разработке лекарственных препаратов, в тканевой инженерии и экспериментальной биологии.
Среди разработок группы — несколько устройств и технологических платформ.
Микрофлюидный контроллер давлений позволяет получать эмульсии с узким распределением капель по размерам, создавать гидрогелевые микрочастицы, микрокапсулы для контролируемого высвобождения лекарств и клеточные сфероиды для трёхмерного культивирования.
Устройства «орган-на-чипе» предназначены для создания лабораторных моделей тканей и органов, например лёгкого и кишечника. В таких системах клетки выращивают на биосовместимой пористой мембране, разделяющей две камеры. Это позволяет изучать проницаемость клеточных слоёв, исследовать свойства биологических барьеров и оценивать взаимодействие потенциальных лекарственных препаратов с тканями. Одно из направлений работы — моделирование гематоэнцефалического барьера, регулирующего обмен веществами между кровью и центральной нервной системой.
Прибор «ФЛИКС-Наноскрининг» предназначен для получения липидных наночастиц размером до 100 нанометров. Такие частицы могут использоваться для доставки нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. В частности, липидные наночастицы представляют интерес для разработки мРНК-вакцин, препаратов для синтеза терапевтически значимых белков и систем доставки малых интерферирующих РНК. Микрофлюидный подход обеспечивает точный контроль процесса формирования частиц, повышает воспроизводимость их характеристик и создаёт предпосылки для масштабирования производства.
Гидрогелевые микрочастицы, или микрогели, — ещё одно направление исследований группы. Эти структуры размером от 1 до 1000 микрометров могут служить носителями лекарственных препаратов, биологически активных веществ и живых клеток. Микрогели с клетками исследуются как строительные блоки для создания трёхмерных моделей тканей, компоненты биочернил для 3D-печати и потенциальный инструмент для разработки методов регенерации повреждённых тканей.
Перечисленные разработки демонстрируют, как инженерные решения помогают создавать инструменты для биологических исследований и формировать технологическую основу для новых биомедицинских приложений.
От университетской лаборатории к технологическому стартапу
Исследования в области микрофлюидики стали основой не только для разработки научного оборудования, но и для создания самостоятельного технологического бизнеса.
В 2023 году на базе разработок группы микрофлюидики лаборатории бионанотехнологий был создан стартап Фликсбио. Команда развивает технологии и оборудование для биологических, биотехнологических и медицинских исследований, включая решения для работы с микрофлюидными системами и синтеза липидных наночастиц.
Фликсбио — пример того, как научные компетенции, сформированные в университетской среде, могут стать основой для разработки востребованных технологических продуктов. Команда не только совершенствует собственные решения, но и представляет их профессиональному сообществу на научных конференциях, отраслевых выставках и промышленных мероприятиях.
Участие в таких событиях позволяет знакомить исследователей и представителей индустрии с возможностями отечественного оборудования, обсуждать практические задачи биомедицины и находить новые направления сотрудничества. В частности, разработки Фликсбио были представлены на отраслевых мероприятиях, посвящённых биотехнологиям и промышленным решениям, а команда продолжает участвовать в научных встречах и конференциях по молекулярной и клеточной биологии.
История Фликсбио показывает ещё один путь развития университетской науки: наряду с фундаментальными исследованиями и созданием экспериментальных прототипов важную роль играет передача технологий в практическую сферу.
Биотехнологии как пространство для новых идей
Биоэлектронные устройства для стимуляции сетчатки, микрофлюидные системы, модели биологических барьеров и технологии получения наночастиц — лишь несколько примеров работ, которые ведутся в Академическом университете. За ними стоят разные научные коллективы, исследовательские задачи и подходы, объединённые стремлением расширять возможности современной биологии и медицины.
Развитие биотехнологий требует сотрудничества специалистов из разных областей, обмена опытом и постоянного поиска новых решений. Именно на пересечении дисциплин возникают технологии, способные со временем найти применение в диагностике, лечении заболеваний, разработке лекарств и исследовании живых систем.
