Сергей Головин: «Мама подарила мне несколько колб, старый белый халат и лабораторную крысу»

Как и зачем российский медик решил получать коллаген из медуз

Теги: Медицина

Автор: Арина Демидова

Старший преподаватель Донского государственного технического университета Сергей Головин занимается разработкой биоматериала на основе коллагена медуз Азовского моря.

Расскажите, пожалуйста, о вашем проекте «Разработка биоматериала на основе коллагена медуз Азовского моря».

С этим проектом наша команда под моим руководством участвует в конкурсе «Биофабрикация, биопринтинг и проектная деятельность» Фонда поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга. Это первый в России конкурс в области биофабрикации, собравший более 20 команд из разных научных центров нашей страны с проектами в этой области. Наш проект, занявший первое место, посвящен разработке биоматериала из коллагена медуз. Биоматериал — это любой природный или синтетический материал, который не вредит живым тканям и клеткам и из которого можно изготавливать изделия или препараты, предназначенные для использования в медицине, ветеринарии или косметологии. Самым распространенным в использовании биоматериалом с огромным спектром применения и довольно внушительным объемом рынка является коллаген.

Он используется как инъекционный препарат в ортопедии и косметологии, из него изготавливают скаффолды для замещения дефектов мягких тканей в хирургии, гемостатические губки для остановки кровотечений, системы для доставки лекарственных препаратов, косметические средства в виде кремов и масок, БАДы (несмотря на сомнительность их применения, рынок БАДов огромен). Также коллаген широко применяется для научных исследований, например в клеточной биологии, и наш проект в первую очередь про такой коллаген — мы делаем биоматериал для тканевой инженерии. В качестве источника для этого биоматериала мы выбрали коллаген медуз Азовского моря.

Как возникла идея использования коллагена медуз в качестве биоматериала?

Основным источником коллагена являются продукты животноводства: кожа, сухожилия, рога, копыта и прочие, так скажем, отходы, мясной промышленности.

И здесь можно выделить две проблемы: во-первых, не стоит забывать про потенциальную биологическую опасность продуктов животного происхождения, например, про прионные белки. Во-вторых, нельзя забывать о том, что среди потребителей медицинских или косметических услуг с применением коллагена очень много представителей конфессий, в которых существуют различные ограничения касательно продуктов животного происхождения. Около двух миллиардов человек не могут употребляют по религиозным соображениям свиной коллаген, около одного миллиарда — коровий. Есть еще один маленький нюанс: трипсин, который используют в качестве фермента при извлечении коллагена, добывают из желудков свиней, о чем многие производители, мягко скажем, умалчивают.

Поэтому разработка способов производства коллагена из альтернативных источников является немаловажной задачей. Мы в качестве альтернативного источника выбрали медуз, так как они обладают рядом преимуществ. 95 % медузы — это вода, 4 % — коллаген так называемого нулевого типа, который биосовместим с клетками/тканями человека и животных. В силу примитивного строения тканей медузы, этот коллаген извлекается намного легче, чем, например, коллаген из коровьей кожи. Употребление медуз не имеет каких-либо религиозных запретов, а применение протеазы микроорганизмов в качестве фермента при гидролизе коллагена вместо трипсина из желудков свиней позволяет полностью решить эту проблему для конечного потребителя. В нашей стране медузы на данный момент являются бесплатным сырьем — условно бесплатным, конечно, потому что всегда есть расходы на добычу и транспортировку. Но тем не менее это сырье с высокой добавленной стоимостью. Для Азовского моря медузы являются экологическим бедствием: их численность из-за повышения солености воды с каждым годом увеличивается, и регионы, чья хозяйственная деятельность связана с Азовским морем, вовлечены в эту проблему, в том числе и научно.

Рекомендованный Министерством сельского хозяйства ежегодный объем вылова медуз в Азовском море составляет почти 100 тысяч тонн. Из этого количества, по нашим расчетам, можно получать около 3000 тонн коллагена в год, причем производить его можно здесь же, используя мощности местных рыбоперерабатывающих предприятий.

Нужно сказать, что мы не являемся авторами идеи использовать медуз в качестве коллагена. Если вы введете в поисковике вашего браузера «коллаген медуз» или «jellyfish collagen», то увидите огромное количество косметических средств и БАДов с его составом, обещающими увлажнение, омоложение, упругость и здоровый блеск. Но коллаген, используемый в этих средствах, добывают из медуз в странах Юго-Восточной Азии, Китае и Южной Корее.

В России коллаген из медуз не производят и вообще положение рынка биосовместимых материалов катастрофическое.

Наша кафедра «Биоинженерия» существует на базе ветеринарного факультета, с 2024 года в РФ впервые открывается интернатура по ветеринарии, всего в двух вузах страны, один из которых — ДГТУ. В рамках этой интернатуры будут готовить ветеринарных врачей узкого профиля, в том числе ортопедов и пластических хирургов для животных.

Столкнувшись с необходимостью приобрести коллаген для наших исследований и увидев цену в 300 долларов за 10 мл коллагена, не буду называть, какой фирмы, мы начали искать способ получить коллаген самостоятельно.

Что такое коллаген медуз и чем он может быть полезен для человека?

Коллаген — это самый распространенный у млекопитающих (к которым относимся и мы) структурный белок, составляющий основу сухожилий, костей, хрящей и кожи и обеспечивающий им прочность и эластичность. Всего известно 28 различных типов коллагена, в нашем организме почти весь коллаген представлен I, II, III и IV типами. Вообще появление коллагена — очень важный этап в эволюции жизни. Оно позволило древним организмам создавать скелет и, как следствие, резко увеличить размеры своего тела. Одними из первых это сделали медузы. Современные медузы мало чем отличаются от своих предков из кембрийского периода, и даже коллаген в современных медузах остался «древним», с более простой структурой, чем у млекопитающих. Но биологические свойства биоматериалов из коллагена медуз нисколько не уступают коллагену млекопитающих, а по данным некоторых исследований, даже превосходят его, являясь менее иммуногенным. Коллаген медуз можно использовать в тех же целях, что и коллаген млекопитающих, о котором я уже рассказывал выше.

Какие исследования уже проведены по данному направлению и какие результаты получены?

Мы уже второй год вылавливаем летом медуз на наших пляжах и замораживаем в своей лаборатории. Это позволяет проводить исследования в течение всего года. Мы уже умеем извлекать из медуз чистый коллаген наименее затратным способом, получать из этого коллагена различные биоматериалы: кислые и нейтральные растворы и гидрогели с разным молекулярно-массовым распределением коллагена, скаффолды и лиофилизированный порошок. Подобрали методы стерилизации для каждого вида продуктов. Это технологическая часть, которую мы прорабатываем для потенциальных приобретателей нашей технологии. Также мы подводим под каждый вид продукта научную доказательную базу безопасности и эффективности коллагена медуз. Для этого мы проводим исследование его свойств на культуре клеток животных и человека и на лабораторных животных. Благодаря конкурсу «Биофабрикация, биопринтинг и проектная деятельность» мы попробовали наш коллаген в качестве биочернил для 3D-биопечати.

Расскажите, пожалуйста, немного о себе. Как вы попали в науку? Были ли в вашей семье ученые?

Ни в моей семье, ни среди моего окружения в детском и юношеском возрасте не было ученых. Да и откуда им взяться в 1990-е годы в маленьком городке на Кавказе. Но они были среди героев книг, которые я читал. Татьяна Власенкова из «Открытой книги» Вениамина Каверина, Мартин Эроусмит из «Эроусмита» Синклера Льюиса, Роберт Шеннон из «Пути Шеннона» Арчибальда Кронина, Гриффин из «Человека-невидимки» Герберта Уэллса, доктор Джекил из «Странной истории доктора Джекила и мистера Хайда» Роберта Стивенсона будоражили мой детский ум, и, подражая им, я даже превратил старенький сарай в нашем доме в настоящую (как мне тогда казалось) лабораторию.

Мама подарила мне несколько колб, старый белый халат и лабораторную крысу — до сих пор считаю, что это были лучшие подарки в моей жизни.

В детской городской библиотеке я нашел великолепную советскую книгу «Опыты без взрывов», в которой описывались простые химические эксперименты, которые можно было провести с реактивами, доступными в быту. Автор этой книги, на мой взгляд, гениальный педагог, составивший прекрасное профориентационное пособие. Во всяком случае, мне больше не попадалась книга, которая заставила бы школьника проводить домашние эксперименты и вести лабораторный журнал с протоколами. Казалось бы, мой путь в жизни определен, но к концу школы я захотел стать военным врачом. Возможно, это была попытка объединить одновременно и страсть к естественным наукам, и ко всему, связанному с военным делом, потому что подростком я открыл для себя мемуары участников Великой Отечественной войны, и, конечно же, мой незрелый ум не увидел в них ужасов войны, а заметил только военную романтику.

Я всерьез готовился к поступлению на военное отделение медицинского университета, но, к моему разочарованию, тогда помимо стандартных русского, биологии и химии на военный факультет требовалось сдавать еще и физику (да, домашнего интернета и чатов абитуриентов в мой город тогда еще не завезли), к которой я абсолютно не готовился и с треском провалил экзамен. Чтобы с позором не возвращаться домой, решил во что бы то ни стало поступить хоть куда-нибудь и отправился искать по городу учебные заведения. Да, сейчас это выглядит очень странно, но в далеком 2007 году у меня в большом незнакомом городе был только кнопочный телефон без гугл-карт, бумажка с адресом университета, в который я поступал, и билет на поезд… И вот 2 августа иду по улицам Ростова-на-Дону, замечаю табличку «Медицинский колледж» и решаю зайти. 2 августа свободные места для абитуриентов оставались только на медико-профилактическом отделении, которое готовило санитарных фельдшеров.

Нежелание возвращаться домой пересилило, я успешно сдал экзамены и стал студентом медколледжа.

По окончании колледжа меня рекомендовали лаборантом в противочумный институт, куда я и устроился. И здесь впервые увидел настоящую науку, лаборатории, в которых занимались исследованиями возбудителей самых смертоносных заболеваний: чумы, туляремии и холеры. И я испытал знакомые с детства ощущения, которые окончательно определили мой выбор. Работая лаборантом, поступил в медицинский университет, окончил его с дипломом врача, но так и остался в институте, твердо решив для себя, что мой путь — наука.

Почему выбрали именно биоинженерию?

Биоинженерия охватывает огромное количество областей науки, в ней себя найдет и химик, и физик, и врач, и биолог. Я не выбирал биоинженерию, скорее, она выбрала меня: мои профессиональные навыки оказались полезны для решения конкретных задач, и так получилось, что задачи эти являются биоинженерными.

Не могу назвать себя биоинженером. У меня диплом врача-терапевта, но вся моя профессиональная деятельность была посвящена микробиологии, я владею большим количеством методов микробиологии и, собственно, считаю себя микробиологом. С другой стороны, микробиология является одним из столпов биоинженерии, и когда в нашем городе появилась команда, которая стала развивать это направление, я присоединился к ней и принес команде свои профессиональные навыки и компетенции, в которых она нуждалась.

Как вы думаете, почему необходимо поддерживать исследования в области биоинженерии?

Биоинженерия — это наше будущее. Производство продуктов питания, многих лекарств и вакцин, топлива и даже полезных ископаемых в будущем будет невозможно без исследований в области биоинженерии. Уже сегодня мы используем многие привычные вещи, принципы создания которых открыты биоинженерами, а принципы производства оптимизированы биотехнологами. Например, возьмем такой привычный продукт, как сыр. Для производства большинства видов сыров используется сычужный фермент. Раньше его добывали из желудков молодых телят, которых, как вы понимаете, для этого убивали. Сейчас большая часть сычужного фермента производится рекомбинантными микроорганизмами. А это в чистом виде биоинженерия. Или другой пример: инсулин — жизненно важный лекарственный препарат. Сегодня препараты инсулина производят генно-модифицированные микроорганизмы, постепенно вытесняя производство инсулина из свиней и коров. Рекомбинантные микроорганизмы используются для производства ферментов, гормонов, интерферонов, антибиотиков, витаминов и многих других продуктов для фармакологии и пищевой промышленности. Генетически модифицированные растения и трансгенные животные позволяют обеспечивать продовольствием постоянно растущее население Земли, а генная терапия и рекомбинантные вакцины значительно продлевают жизнь. Все виды осознанного потребления, которые свидетельствуют о высоком уровне развития общества, невозможны без достижений биоинженерии.

Расскажите о своем опыте работы в микробиологии и тканевой инженерии. Какие проекты вы реализовали в этих областях?

Микробиология и тканевая инженерия, казалось бы, находятся немного в разных областях и на первый взгляд мало пересекаются. Но это только на первый.

Мой опыт в микробиологии начался с исследования биопленок холерных вибрионов. Для изучения ультраструктуры биопленок необходимо было использовать трансмиссионную электронную микроскопию. Прибор в нашем институте был, но не было специалиста. Этим специалистом стал я. Затем для исследования биопленок потребовалась клеточная модель из клеток кишечника человека, и я овладел методами работы с клетками человека и животных. Некоторые клеточные модели в микробиологии, например тканей кишки, выходят за рамки простых 2D-клеточных слоев и требуют создания более сложных 3D-структур. А это уже тканевая инженерия и биофабрикация. Конечно, этим в идеале должен заниматься не микробиолог, а клеточный биолог, но в нашем городе таких специалистов очень мало, и пришлось учиться самому. В итоге простая прикладная задача привела к значительному расширению моего профессионального арсенала навыков. Как специалисту по электронной микроскопии мне приносили для исследования препараты бактериофагов — вирусов бактерий. Они заинтересовали меня, я начал изучать литературу, затем освоил методы работы с ними и вот сейчас руковожу грантом по изучению бактериофагов для борьбы с сальмонеллезом.

Благодаря навыкам работы с клетками в попытке создать модель кишечной ткани при помощи 3D-биопечати — одного из методов тканевой инженерии — я столкнулся с потребностью в большом количестве коллагена, что в итоге привело к проекту с коллагеном медуз. А применяя 3D-биопечать для создания моделей для микробиологических исследований, мы пришли к идее создания клеточного мяса — брать клетки животного, размножать их в лаборатории и печатать при помощи 3D-принтера мясо.

Так родился еще один проект, выполняя который, мы столкнулись с проблемой: ручной подсчет клеток при больших объемах культивирования неудобен, и нам нужна программа, которая делала бы это автоматически. Так мы добрались до искусственного интеллекта, и сейчас это отдельный большой проект, в рамках которого я тоже учусь, приобретаю новые навыки, и, уверен, рано или поздно они приведут к другой идее. Только постоянно развиваясь в своей профессиональной области, но не зашориваясь ее рамками, не боясь заходить в смежные области и брать, казалось бы, непрофильные задачи, ты будешь развиваться и генерировать новые идеи.

Какую роль играет Азовское море в вашей деятельности?

Азовское море — это маленький бонус Ростовской области. Она захватывает лишь его кусочек — Таганрогский залив, но все равно это кусочек моря, который рядом. Я увлекаюсь велотуризмом, и Азовское море — одно из любимых направлений. Это же здорово: два часа на велосипеде — и ты на море. Когда собираем медуз для нашего коллагена, то это уже как будто маленькая экспедиция. Мы грузим в машину контейнеры с хладоэлементами, отправляемся на пляж, долго-долго планируем эксперимент, ловим медуз, привлекая внимание всех отдыхающих, а потом, когда их коллективный интерес пересиливает и они спрашивают, а зачем, собственно, мы второй час ловим медуз, — читаем лекцию про коллаген прямо на пляже.

Есть ли у вас планы по расширению сотрудничества с другими учеными и исследовательскими группами?

Отвечу так: опыт есть, планов нет. С одной стороны, кажется, что расширение сотрудничества с другими исследовательскими группами — это хорошо. Но мой опыт показывает: в науке как нигде работает принцип «хочешь сделать хорошо — сделай это сам». Во всяком случае, за мой 12-летний опыт научной работы ни одна инициатива со сторонними организациями не привела к значимому результату. Сильный коллектив, если он испытывает постоянную необходимость в каком-то стороннем специалисте или приборе, в любом случае рано или поздно захантит такого специалиста или приобретет прибор. Если же специалист или прибор нужны для единичного выполнения узкой задачи, то, конечно, лучше сделать это «на стороне», но я бы не назвал это сотрудничеством, скорее оказание/получение услуг сторонней организации.

Насколько важна ваша работа для развития биотехнологий в России?

Учитывая положение рынка биотехнологий в России, любая работа наших ученых в этом направлении является важной. В первую очередь я считаю важным, что привлечение студентов-биоинженеров — а проект с коллагеном медуз на нашей кафедре один из «студенческих» — является хорошей возможностью для будущих специалистов познакомиться с полным циклом разработки технологии, обучиться всем необходимым навыкам и получить практически готовую к реализации технологию, которую студенты в процессе обучения сами могут дорабатывать на свое усмотрение. И если через пять лет на побережье Азовского моря появится хотя бы маленький стартап, связанный с коллагеном медуз, — это уже будет наш вклад в развитие биотехнологий в России.

Что бы вы посоветовали молодым ученым, которые хотят заниматься биотехнологиями?

Учиться, учиться и еще раз учиться! Учиться всю жизнь, начиная со школьной скамьи. Потому что как только специалист перестает учиться — он умирает. Не ждите, когда вас научит кто-то другой. К сожалению, в нашей стране сейчас пропасть между поколениями ученых, сформировавшаяся в девяностые и нулевые, молодежь в прямом смысле должна учиться сама, не искать кумиров — их просто нет в этой области сегодня. И в этом не только минусы, но и плюсы: идя непроторенной дорогой, можно найти много нового и интересного.