Научные результаты:
- Получены мышиные линии (мутанты и гибриды), устойчивые к септическому шоку, онкогенезу, ожирению. Проведены секвенирование генома и биоинформатический анализ провоспалительных генов в мышиных линиях. Выбраны и идентифицированы гены-кандидаты, отвечающие за устойчивость к TNF. Проведен фенотипический анализ гомозиготных мутантов на резистентность к перевиваемым опухолям, чувствительность к индуцируемым опухолям.
- Разработаны тест-системы «Диагностика развития воспаления в стенках сосудов при нарушениях липидного обмена», «Ранняя диагностика рака репродуктивных органов» и «Доклиническая диагностика заболеваний на основе нелинейной динамики».
- Синтезирована группа новых азотсодержащих соединений с высокой биологической активностью. На модельных системах in vitro и in vivo показано, что реагенты обладают выраженным антиопухолевым и противовоспалительным эффектами. Соединения рассматриваются в качестве перспективных составляющих фармакологических препаратов.
- Показано, что клетки С57ВL/6 мышей (гепатоциты) являются высоковосприимчивыми к Fas-индуцированному апоптозу за счет продуцирования более высоких уровней cFLIPR (короткой изоформы белка) по сравнению с гепатоцитами линии MSM (продуцируют длинную изоформу cFLIPL). cFLIPL связывает каспазу 8, предотвращая апоптоз клеток.
- Установлено, что трансмембранный белок эндоплазматического ретикулума STING (Stimulator of Interferon Genes), известный как молекулярный сенсор цитоплазматической ДНК, играющий важную роль в распознавании внутриклеточных патогенов и активации интерферон- (тип I) зависимого пути в клетках миелоидного ряда, имеет более широкие функции. STING не только является точкой конвергенции сигналов, посылаемых другими цитозольными сенсорами/рецепторами, но также отвечает за их специфическое переключение, одновременно функционируя и как рецептор, и как адапторный белок. STING может представлять собой специфический сигнальный «хаб», работа которого определяется текущим молекулярным контекстом.
- Обнаружен естественный мутантный вариант STING, не отвечающий на активацию запуском экспрессии IFN I типа; мутантным является N-концевой домен STING, а не лиганд-связывающий (как предполагали многие западные коллеги), и сопряжен с нарушением траффика STING из ЭПР в аппарат Гольджи. Используя промотор IL-6 было исследовано влияние мутаций 47/48 (и S53L) на активацию IL-6, так как именно у них наибольший вклад в дефект IFN-сигнала. Ранее было обнаружено, что множественные полиморфизмы в STING MOLF (L47V, A48G, S53L, S103F, I114M, Y115C, Y126S и 6-аa делеций 116-122 в NTD, с одной заменой, N210D, в CTD STING) будут влиять на вторичную структуру белка и нарушать трансмембранные участки связывания STING. Так, удалось обнаружить естественный мутантный вариант STING, в котором АК-замены (L47V, A48G, and S53L) располагаются в N-концевом домене и сопряжены с нарушением трафика STING из ER в аппарат Гольджи. Далее было показано, что высокая продукция IL-6 у MOLF обусловлена задержкой STING в ER, а 47/48-полиморфизмы коррелируют с высоким уровнем IL-6. Были введены мутации в домен димеризации (DD) STING, которые обеспечили конститутивную активацию и транслокацию STING из ER, были проклонированы 47/48-мутации в DD у конститутивно активированных мутантов STING, в результате чего процесс транслокации STING из ER стал невозможен, что привело к переключению IL-6 на конститутивный режим. Вместе с тем, высокая частота гетерозиготности по дефектной аллели STING в человеческой популяции (от 20 % до 50 %) говорит о том, что фармакологические активаторы STING могут быть показаны не всем пациентам.
- Исследована роль cGAS, IFI16, DDX41, AIM2 в ответах на ДНК у мышей линии MOLF. Проведенные эксперименты показали, что ответы на ДНК у мышей линии MOLF в основном зависели от cGAS, однако, и другие сенсоры, такие как IFI16 или AIM2, имели значение для реализации эффекта. cGAS является нуклеотидилтрансферазой, которая связана с производством вторичного мессенджера cGAMP, активирующего адаптерный белок STING. В результате запускается путь TBK1/IRF3 и индуцируются гены Ifn. Таким образом, во время инфекции передача ДНК от патогена в цитозоль клетки-хозяина вызывает активацию cGAS и STING, что приводит к индукции IFN и экспрессии нескольких интерферон-активируемых генов (ISGs), в том числе IFN I типа, Ccl5, Cxcl10, Mx1, Ifit 1, Ifit2, Ifit3. У мышей линии C57BL/6 все именно так и происходит. Однако транскрипционный анализ ISGs в ответ на инфекцию (HSV - вирус простого герпеса и Listeria monocytogenes) MOLF подтвердил дефект в их IFN-ответе и некоторых NF-kB-регулируемых генах, гены IL-1a, IL-1b, Tnf, Tlr2 и IL-6 были апрегулированы. Причина подобного эффекта также связана с дефектом в N-концевом домене STING.
- Впервые охарактеризован механизм активации Т-клеток с использованием специфического активатора STING 5,6 dimethlyxanthenone-4-acetic acid (DMXAA). Активация Т-клеток дикого типа DМХАА приводит к развитию апоптоза, а в нокаутных клетках подобного эффекта нет. Экспериментальные данные говорят о том, что одним из механизмов DMXAA STING-инициированного апоптоза может быть накопление в ЭПР белков с дефектной структурой, поскольку обнаружено значительное повышение экспрессии генов, участвующих в процессах сворачивания белков, в частности Bip/ HSPA5 и GADD34. Полученные результаты предполагают использование данного соединения в качестве перспективного активатора врожденного иммунитета.
- С использованием гибридов F2-интеркросса (MOLFхC57BL/6) удалось определить, что генетические различия в ответах иммунной системы ассоциируются с двумя хромосомными локусами. Один из локусов на хромосоме 2 содержит ген маннозного рецептора (MRC1), низкие уровни экспрессии которого были отмечены только у макрофагов мышей линии MOLF. Другой локус, расположенный на хромосоме 10, обуславливает низкий иммунный ответ на стимуляцию большинством из агонистов рецепторов TLR (CpG (TLR9), LTA (TLR2), LPS (TLR4), Имиквимод (TLR7)), обладает ингибиторным эффектом на TLR-опосредованную активацию. Вклад этого локуса в фенотип наследуется по доминантному признаку. С использованием гибридов было обнаружено, что более выраженные ответы у мышей линии MOLF обусловлены локусом в хромосоме 13. Локус, принадлежащий хромосоме 13, стимулирует TLR-опосредованный сигналинг. Последующий анализ генов-кандидатов позволил выявить несколько представителей, которые дифференциально экспрессируются в MOLF макрофагах и содержат многочисленные полиморфные замены. Согласно предлагаемой рабочей модели, ITIM домен в цитоплазматическом «хвосте» данных белков имеет нарушенную структуру в линии MOLF и поэтому не способен рекрутировать ингибиторную фосфатазу, что придает иммунному ответу в MOLF мышах более выраженный провоспалительный характер. Используя технику нокаута в первичных макрофагах, было показано, что некоторые из этих генов ответственны за повышение продукции IL-6 у мышей линии MOLF.
- Проведено пилотное РНК-секвенирование (MiSeq, llumina) образцов нормального эпителия и всех клинико-патологических стадий вирус-ассоциированных карцином (РШМ, РГиШ). Выполнен полный биоинформатический анализ полученных данных. Анализ экспрессии генов в группах: 1 – специфические лимфоэндотелиальные факторы роста (VEGF-С и -D, HGF, FGF, PlGF) и их рецепторы (VEGFR3, c-MЕТ/HGFR); 2 – лимфангиогенез-специфические транскрипционные факторы (Prox1, FOX-C2, ETS); 3 – транскрипционные факторы эпителиально-мезенхимального перехода (Twist1, Snail, Slug); 4 – рецепторы адгезии лимфоэндотелиальных клеток – регуляторы инвазии (LYVE-1, PDPN); 5 – компоненты межклеточного матрикса – регуляторы ангиогенеза (тромбоспондины -1, 2; эндостатины) показал, что формирование инвазивной карциномы, независимо от состояния пациента, сопровождается последовательными изменениями активности регуляторов лимфангиогенеза и эпителиально-мезенхимального перехода. Выявлена определенная функциональная сигнатура генов, ассоциированных с процессами ангиогенеза, лимфангиогенеза и эпителиально-мезенхимального перехода. Наиболее важным является то, что в составе сигнатуры обнаружены новые группы генов, которые ранее оставались без внимания при изучении механизмов развития вирус-ассоциированных карцином, но сейчас рассматриваются как перспективные мишени антиметастатической таргетной терапии. В первую очередь, это мембранные рецепторы SEMA-PLXN-NRP системы, HGFR/c-MET, TGFbeta/TGFR.
- Разработана модель, характеризующая молекулярные механизмы раннего инвазивного роста карцином, ассоциированных с ВПЧ-инфекцией. Описаны сигнальные каскады и функции генов, обеспечивающие изменение клеточной морфологии, механизмы «лимфангиогенного переключения» и формирование проангиогенного фенотипа. Немаловажное значение в этом процессе имеют ключевые молекулы клетки, базирующиеся на пересечении сигнальных путей. Одна из ведущих позиций в данном случае принадлежит STING. Подтверждены данные, описанные ранее только для мышиных клеток, о высокой экспрессии STING в Т-лимфоцитах человека. Впервые показано, что в различных фракциях Т-клеток паттерн экспрессии STING может изменяться на фоне прогрессии инвазивного рака, ассоциированного с хронической вирусной инфекцией, что может указывать на участие Т-клеточного STING в контроле над ВПЧ и развивающейся онкопатологией. Результаты РНК-секвенирования образцов крови пациентов показали значительное увеличение экспрессии спектра интерферон-индуцируемых генов (ISGs), в том числе транскрипционных факторов-регуляторов интерферонового пути (IRFs и STATs) и генов противовирусного ответа, в частности, OAS1-3, ADAR1, ISG15, ISG20, PKR. Особенный интерес представляет наблюдаемая на ранней стадии инвазивного процесса индукция STING/TMEM173 гена и cGAS - нуклеотидилтрансферазы, которая связана с производством вторичного мессенджера cGAMP, активирующего STING. Экспрессия генов, кодирующих компоненты альтернативных цитозольных сенсорных систем (PRRs), в том числе AIM2, RIG-I/MDA5, IFI16, также оказалась существенно выше. Такие различия в паттернах экспрессии указывают на то, что по мере развития инвазивного фенотипа происходит активация STING-ассоциированного сигнального пути. Результаты имеют важное значение не только для фундаментальной, но и для клинической онкологии, а именно для разработки новых методов и подходов таргетной терапии. Одной из мишеней таргетной терапии может выступать белок STING.
Внедрение результатов исследования:
- Разработаны тест-системы ранней диагностики онкопатологий репродуктивной системы, хронических диффузных заболеваний печени и болевого синдрома у онкологических больных. На все системы получены патенты на изобретение. На Международных выставках «Биоиндустрия-2014» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.) и «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.) за данные разработки коллектив удостоен 3 золотых и 2 серебряных медалей. Тест-системы прошли первичную апробацию на клинических кафедрах Медицинского института Петрозаводского государственного университета и в настоящее время внедрены на базах Больницы скорой медицинской помощи (БСМП) и Республиканского онкологического диспансера г. Петрозаводска.
- Разработана и внедрена база данных «Паспорта лабораторных животных». Электронный ресурс «Паспорта лабораторных животных» представляет собой базу данных, которая включает все поколения линий мышей, используемые в экспериментах научного проекта. В базу внесены как линии мышей, приобретенные для выполнения проекта, так и полученные непосредственно Исполнителем в ходе его выполнения. Пользуясь базой данных можно получить всю информацию, касающуюся конкретной особи животного. База постоянно пополняется.
- Разработан и внедрен комплекс имитаторов биологических жидкостей организма человека (имитатор крови, имитатор мочи, имитатор плазмы крови, имитатор сыворотки крови, имитатор спинномозговой жидкости, имитатор желудочного сока) для использования в качестве модельных систем при обучении студентов в медицинских образовательных учреждениях. Все имитаторы биологических жидкостей запатентованы. Имитаторы используются в учебно-образовательном процессе на кафедрах Медицинского института Петрозаводского государственного университета (кафедра биомедицинской химии, иммунологии и лабораторной диагностики; кафедра физиологии человека и животных, патофизиологии, гистологии; кафедра общей и факультетской хирургии) и в Петрозаводском базовом медицинском колледже.
Организационные и инфраструктурные преобразования:
В 2012 г. в Петрозаводском государственном университете на базе лаборатории был создан Институт высоких биомедицинских технологий (ИВБМТ). Основная цель Института состояла в структурировании фундаментальных и прикладных исследований в области медицины и биологии в соответствии с приоритетными направлениями Российской Федерации в сфере биомедицинских технологий и мировыми тенденциями науки в этой области, а также создании условий для проведения НИР и НИОКР по разработке инновационных технологий, готовых к внедрению в клиническую практику.
В 2020 г. ИВБМТ был переименован в Научно-образовательный центр высоких биомедицинских технологий (НОЦ ВБМТ).
В настоящее время в состав НОЦ ВБМТ входят восемь профильных научно-исследовательских лабораторий (Лаборатория молекулярной генетики врожденного иммунитета, Лаборатория биологически активных природных и синтетических органических соединений, Лаборатория доклинических исследований, клеточной патологии и биорегуляции, Лаборатория новых методов физиологических исследований, Лаборатория клинической эпидемиологии, Лаборатория медико-экологических исследований, Лаборатория телемедицины и электронного медицинского образования, Лаборатория искусственного интеллекта в медицине), Аккредитационно-симуляционный центр врачей и провизоров, а также Многофункциональный медицинский консультативно-образовательный центр.
НОЦ ВБМТ проводит исследования и разработки в области молекулярной генетики, онкоиммунологии, нейрофизиологии, биорегуляции, клеточной биологии, фармакологии, эпидемиологии, биоинформатики.
Практическая реализация разработок лабораторий осуществляется на МИП ООО «НаноФарм» и МИП ООО «БиоГен», созданных в рамках проекта в 2012 г. и 2013 г., соответственно. С 2021 г. с участием лаборатории реализуется большой научный проект «Многокомпонентный программно-аппаратный комплекс для автоматизированного сбора, хранения, разметки научно-исследовательских и клинических биомедицинских данных, их унификации и анализа в ЦОД на базе алгоритмов искусственного интеллекта и предиктивной аналитики с последующим внедрением инновационных технологий в научно-исследовательскую и образовательную деятельность, практическую медицину и реальную клиническую практику, обеспечивающих комплексное развитие инфраструктуры исследовательской деятельности, повышение уровня ее доступности и роста эффективности ее использования», поддержанный грантом Министерства науки и высшего образования РФ (№ 075-15-2021-665 УНУ).
Образование и переподготовка кадров:
- В период с 2011 г. по 2022 г. лаборатория принимала участие в разработке 30 образовательных курсов по специальностям: «Биология», «Лечебное дело», «Педиатрия», «Фармация».
- В 2015 г. в Петрозаводском государственном университете была открыта новая магистерская программа «Медико-биологические науки».
- Сотрудниками лаборатории опубликованы 27 учебных и методических пособий. В лаборатории действует программа повышения квалификации для молодых ученых «Современные методы исследования в биомедицине», в рамках которой прошли стажировку 105 молодых специалистов.
- Подготовлены и защищены 12 кандидатских и 2 докторские диссертации.
- Разработаны электронные курсы для школьников и учителей биологии Республики Карелия. Лаборатория имеет подшефный класс в Гимназии №30 им. Д.Н. Музалева г. Петрозаводска. Школьники участвуют во Всероссийских олимпиадах и конкурсах научно-исследовательских работ.
- Руководитель и сотрудники лаборатории принимают участие в проведении занятий в образовательном центре «Сириус» (г. Сочи) для победителей и призеров Всероссийского конкурса проектных и исследовательских работ школьников по направлению «Генетика, персонализированная и прогностическая медицина».
Сотрудничество:
- Университет Тафтса (США), ООО «Первый онкологический научно-консультационный центр» (Россия): совместные научные исследования.
- Университет Восточной Финляндии (Финляндия): совместные исследования, студенческие обмены.
- СПб ГБУЗ «Городская больница №40» (Россия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- ГБУЗ РК «Республиканская больница им. В.А. Баранова» (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- ГБУЗ РК «Республиканский онкологический диспансер» (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Институт биологии Карельского научного центра Российской академии наук (Россия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- Лаборатория физической химии растворов макроциклических соединений Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Кафедра химии и технологии биологически активных соединений имени Н.А. Преображенского Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА (Россия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- Военно-медицинская академия имени С. М. Кирова (Россия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- НИИ ревматологии РАМН (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Институт возрастной физиологии Российской академии образования (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова Российской академии наук (Россия): совместные исследования.
- МГУ имени М.В. Ломоносова (Россия): совместные исследования, студенческие обмены.
- Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (Россия): совместные исследования.
- НИИ пульмонологии Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени академика И.П. Павлова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Петрова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- НИИ физико-химической медицины (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.
- Институт онкологии и радиологии (Сербия): совместные исследования.
- Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле (США): совместные исследования.
- Лаборатория химии физиологически активных соединений Института химических наук имени А.Б. Бектурова (Казахстан): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- Финский Институт охраны здоровья на производстве (Финляндия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
- Клиника Университета Тампере (Финляндия): совместные исследования.
