Профессор Southeast University Сянвэй посетил Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ с рабочим визитом. Международная группа китайских и российских ученых завершает реализацию трехлетнего научного проекта под грантом РНФ-NSFC (грант №24-45-00021). Мы побеседовали с профессором Сянвэй Чжао о текущих и будущих совместных проектах и затронули вопросы развития нанофотоники и медицинской инженерии.
— Сянвэй Чжао, в этом году вы завершаете большой совместный проект с Центром фотоники и двумерных материалов. Чему он посвящен?
— Наш проект посвящен разработке современной платформы для скрининга противоинсультных препаратов (полученных из компонентов трав, применяемых в традиционной китайской медицине) с использованием модели органоида мозга и плазмонных наносенсоров. Можно сказать, что мы практически достигли целей нашего проекта, в рамках которого нам удалось объединить технологии выращивания органоидов — миниатюрных моделей человеческого мозга, передовые методы оптической микроскопии и искусственный интеллект.
Главный результат, который наша команда готовится представить в журнале Cell Metabolism, это платформа для изучения действующих компонентов традиционной китайской медицины на мозговых органоидах с помощью мультиомики и рамановской спектроскопии. В перспективе такой подход позволит предсказывать сложные молекулярные изменения в живых тканях по одному лишь лазерному снимку, а в более отдаленном будущем, возможно, позволит создать имплантируемые биосенсоры для непрерывного наблюдения за клетками внутри организма.
— Можно подробнее рассказать, что представляет собой мозговой органоид?
— Это весьма миниатюрный, в несколько миллиметров, сгусток клеток, но который ведет себя как полноценный настоящий мозг: нейроны образуют связи, обмениваются сигналами и даже спонтанно проявляют электрическую активность. Для большинства экспериментов достаточно ткани органа, а наш органоид это трехмерная структура, выращенная из настоящих стволовых клеток человека. Она не обладает сознанием, но служит идеальным стендом для тестирования лекарств и изучения болезней, поскольку воспроизводит ключевые черты настоящей нервной ткани.
— То есть эти органоиды подходят и для персонализированной медицины?
— Вполне подходят. При этом нас интересовали компоненты традиционной китайской медицины: какие из них способны повлиять на развитие нейронов, защитить их от гибели или, напротив, стимулировать рост? Ответить на этот вопрос можно, только заглянув внутрь самого органа и увидеть процессы, которые происходят на уровне генов, белков и метаболитов.
Для этого существует мультиомика — набор методов, позволяющих одновременно анализировать тысячи молекул. Однако даже современные высокопроизводительные методы молекулярной биологии и генетики требуют разрушения образца: вы не можете наблюдать за одним и тем же органоидом в динамике, и здесь мы можем применить рамановскую спектроскопию как неразрушающий метод.
В итоге мы успешно провели тестирование работы лекарств традиционной китайской медицины на выращенных нами органоидах, с использованием рамановской визуализации и мультиомике.
— В чем суть рамановской микроскопии?
— Гениально и просто одновременно: лазерный луч падает на ткань, и крошечная доля рассеянного света меняет свою частоту в зависимости от химических связей молекул. Получается уникальный спектр, как «отпечаток пальца» для каждого вещества.
Но мы пошли дальше. Рамановский сигнал очень слаб, но чувствительность метода можно значительно усилить, используя эффект гигантского комбинационного рассеяния. В рамках проекта наши российские коллеги из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ под руководством доктора физико-математических наук Сергея Новикова разработали для наших объектов специальные наноструктурированные подложки. ГКР-подложки — это специальные поверхности с наночастицами, которые и усиливают слабый рамановский сигнал в миллионы раз за счет эффекта гигантского комбинационного рассеяния.
В итоге получаются уникальные спектральные отпечатки молекул в ультранизких концентрациях. В нашем проекте эти подложки стали ключевым инструментом, позволяющим изучать органоид, не разрушая его. Таким образом, разработанные в Центре фотоники подложки делают метод применимым к живым тканям. Это принципиально важно для нашего проекта, так как позволяет отслеживать реакции клеток на лекарства в реальном времени без потери образца.
— В целом какова роль российской и китайской стороны в проекте?
— Наша обязанность — культивировать органоиды и получать омиксные данные, а для российской стороны основная задача — создавать сенсоры для рамановского картирования. Мы работаем вместе: помещаем ткань на их подложку и снимаем рамановские данные. Затем мы можем использовать эти данные вместе с нашими омиксными данными и применить искусственный интеллект, чтобы выучивать корреляции и предсказывать генерацию.
Иными словами, мы учим нейросеть понимать, какой молекулярный состав (генная активность, набор белков и метаболитов) соответствует тому или иному рамановскому спектру. Если это удастся, то для анализа состояния ткани достаточно будет просто посветить на нее лазером, и алгоритм восстановит полную мультиомиксную картину.
— Звучит многообещающе. Но каких результатов вы уже достигли в рамановской микроскопии в рамках проекта?
— Особый упор мы делаем на два варианта технологии: рамановское картирование и пространственную транскриптомику — метод, который показывает, какие гены активны в каждой точке образца. Мы планируем объединить все эти данные и использовать искусственный интеллект для их слияния. Я верю, что в ближайшем будущем мы сможем предсказывать мультиомиксные данные по рамановским изображениям. Такое объединение открывает путь к созданию «цифровых двойников» биологических тканей.
— Сянвэй Чжао, это уже второй ваш визит в Москву и на Физтех. Вы планируете и дальше развивать совместное сотрудничество? По каким направлениям, есть ли какие идеи?
— Действительно, это мой второй визит в Москву и МФТИ. Российские коллеги были у нас в прошлом году, и мы ожидаем их визита в Китай на конференцию в текущем. Эти взаимные визиты становятся хорошей традицией. Да, у нас есть идеи, и учитывая нашу продуктивную и длительную коллаборацию с МФТИ, мы уже в этом году подали на новый совместный РНФ-NSFC проект, в рамках которого планируем разработать имплантируемые биосенсоры для визуализации клеток внутри организма. Этот проект в какой-то мере продолжение нашего текущего совместного проекта.
Результаты настоящей работы получат свое развитие в новой. Это действительно очень перспективное и даже прорывное направление. Думаю, вы не найдете ни одного сообщения ни о чем подобном во всем мире. У нас есть цель — разработать биосенсоры, имплантируемые в живой организм.
Благодаря этой технологии медики смогут непрерывно сканировать окружающие клетки организма с помощью микрочипа с нанофотонными элементами под нашей кожей и получать рамановские спектры. Это могло бы произвести революцию в ранней диагностике. Например, такой имплантат сможет обнаружить первые раковые клетки задолго до того, как образуется заметная опухоль, или сообщит о начале воспалительной реакции при хроническом заболевании.
И эти технологии подходят не только медицине, которая нас интересует в первую очередь. Мы создаем очень большую платформу, которая способна объединить биосенсоры, оптику, наноматериалы, электронику, связь, обработку больших массивов данных, используя ИИ! То, что мы реализуем, действительно прорывная вещь, и вполне возможно, мы получим продукт, который можно будет передать в реализацию многим промышленным отраслям разных стран.
— Звучит глобально! Но как вы думаете, какие направления будут наиболее востребованы в вашей области?
— Для прогноза будущего необходимо заглянуть в прошлое. После 2000 года нанотехнологии были очень популярны во всем мире, но спустя почти 20 лет они уже не так горячи. Да, в биомедицине они решили некоторые проблемы, но не так много и глобально, как ожидалось. Например, в Китае сейчас трудно получить грант, если вы предлагаете чистые нанотехнологии. Сейчас очень важны Big Data (большие данные) и искусственный интеллект. Поэтому мы перешли к исследованиям, связанным с ИИ.
Конечно, нанофотоника сохраняет ценность там, где речь идет о сверхмалых масштабах и интеграции в имплантируемые устройства. Именно сочетание миниатюрных оптических компонентов с алгоритмами машинного обучения способно превратить сложный спектральный сигнал в понятную медицинскую информацию о здоровье человека. Это очень передовые исследования, и я думаю, что именно за подобными проектами будущее.
Однако есть нюанс, критически важный для правильной стратегии. Университетская наука не должна конкурировать с индустрией в разработке готовых продуктов, особенно в области точечной диагностики (point-of-care testing).
Наши разработки мы передаем промышленности и оставляем их, так как у производства больше возможностей доработать любой продукт под свои нужды. Согласитесь, что инженеры сделают это быстрее студентов. У нас нет преимущества. Поэтому нам нужно заниматься более новыми исследованиями, более передовыми. Например, разработка ультрабыстрой ПЦР — мы показали принцип и всё, мы больше над этим не работаем. Передали промышленности.
Теперь мы работаем в новых областях, таких как имплантируемые биосенсоры. Здесь у промышленности нет преимущества. Этот подход — сознательное движение на самые дальние рубежи науки, туда, где коммерческие компании еще не чувствуют себя уверенно и позволяют университетским лабораториям оставаться впереди.
— Сянвэй Чжао, это очень интересная мысль! И в заключение мы не можем не спросить о феномене быстрого роста китайской науки и технологий за последние десятилетия. Что является рецептом этого успеха?
— Это сложный вопрос, мы можем говорить об этом часами. Но первое и самое важное — желание развиваться, стремление делать лучшее. Это амбиция. У нас очень много студентов, которые заканчивают университеты и идут в промышленность.
Формируется огромная армия инженеров. Они очень хорошо подготовлены еще в университете, а затем проходят дополнительное обучение уже на производстве. Так что мы растем очень быстро. В результате во многих областях, включая точечную диагностику, базовый уровень промышленности вырос с очень низкого до очень высокого. Теперь даже у нашего университета нет преимущества. Поэтому мы должны находить новые поля для роста своих идей.
Этот цикл — амбиция, массовая подготовка кадров, передача технологий индустрии и затем поиск следующих нерешенных задач — возможно, и есть тот самый двигатель, который превратил научный ландшафт Китая из догоняющего в лидирующий.
Научный проект поддержан грантом РНФ-NSFC (грант №24-45-00021).
О первом визите профессора Сянвэй Чжао в МФТИ читайте в материале:
«Что хорошего в работе между китайцами и русскими? Я думаю, что вы очень специализированы»
