Лазерные прорывы
Нобелевскую премию по физике 2018 года, о присуждении которой было объявлено 2 октября, для ТрВ-Наука комментирует канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Института прикладной физики РАН, автор научно-популярного канала в мессенджере Telegram @physh Артём Коржиманов.
Как обычно в начале октября, мир на прошедшей неделе узнал имена очередных лауреатов Нобелевской премии. По физике она была разделена между тремя учеными. Половина ушла Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за изобретение лазерного пинцета, а еще половину поделили поровну Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикланд (Donna Strickland) за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов.
Несмотря на то что обе премии объединены формулировкой «за исследования в области лазерной физики», ее две половины вручены за два практически никак не пересекающихся достижения, оказавших одинаково большое влияние на другие области науки.
Лазерный, или оптический, пинцет — это устройство, которое позволяет манипулировать микроскопическими объектами при помощи лазерных пучков. О том, что свет может двигать предметы, люди знают как минимум с начала XX века — именно тогда Пётр Лебедев экспериментально доказал существование светового давления. Однако есть еще одна возможность для передвижения частиц светом. Если частица прозрачна, то свет в ней может преломляться, меняя направление своего движения. Но, поскольку свет переносит импульс, то, грубо говоря, по третьему закону Ньютона, или, корректнее, из закона сохранения импульса, следует, что частица должна начать двигаться в противоположную сторону. Обычно возникающие таким образом силы скомпенсированы и частица неподвижна, однако если интенсивность света распределена сильно неоднородно, то с одной стороны частицы будет преломляться больше света, а с другой — меньше, что приведет к возникновению результирующей силы, направленной в сторону большей интенсивности.
Пионерские работы в этой области выполнены Артуром Эшкиным еще в середине 1980-х годов. С тех пор лазерные пинцеты превратились в рутинный инструмент и обеспечили настоящий прорыв во многих приложениях, в которых надо управлять положением микроскопических объектов. В первую очередь — и это отдельно подчеркнуто в формулировке Нобелевского комитета — речь, конечно, идет о биологии и медицине и манипуляциях с отдельными клетками.
Стоит отметить, что Эшкин стал самым пожилым лауреатом Нобелевской премии в истории. На момент присуждения ему исполнилось 96 лет.
Работа Жерара Муру и Донны Стрикланд связана с задачей достижения рекордно высоких мощностей лазерного излучения. Собственно, с момента изобретения лазера в 1960 году это направление было одним из основных в области лазерной физики, и уже к концу 1960-х были получены импульсы мощностью в несколько гигаватт.
Такая высокая мощность достигалась при относительно небольших затратах энергии за счет развития методов генерации коротких импульсов. Характерная длительность импульса составляла несколько наносекунд (1 наносекунда = 10-9 секунды), поэтому при мощности в 1 ГВт они имели энергию всего в несколько джоулей — меньше, чем у кирпича, выпавшего из рук.
На гигаваттном уровне мощности, однако, возникла проблема. Лазерное излучение начинало разрушать те кристаллы, в которых происходило его усиление. Естественным путем борьбы с этим стало увеличение поперечных размеров кристаллов и сведение в точке излучения большого числа лазерных импульсов. Очевидная проблема заключалась в том, что было чрезвычайно трудно вырастить кристаллы оптического качества диаметром больше десятка сантиметров, а сведение в точке десятков лазерных лучей требовало больших и сложных систем синхронизации.
Тем не менее в рамках программы лазерного термоядерного синтеза к 1984 году в Ливерморской национальной лаборатории (США) была создана 10-канальная система Nova суммарной мощностью 50 ТВт и с впечатляющей энергией в 10 кДж.
Именно в этом момент приехавший из Франции научный сотрудник Рочестерского университета Ж. Муру и его аспирантка Д. Стрикланд выпускают статью, в которой предлагают принципиально иной подход к достижению рекордно высоких мощностей. Предложенный ими метод получил название «усиление чирпированных импульсов» (Chirped pulse amplification, CPA), от английского «chirp» — чириканье.
Чирпированными называют импульсы, у которых составляющие их частоты разнесены во времени: сначала идут более низкие частоты, затем более высокие. Похожим образом устроены трели некоторых птиц: они сначала издают более низкие звуки, постепенно повышая их тон. В русскоязычной литературе такие импульсы принято называть частотно-модулированными.
Основная идея метода заключается в том, чтобы удлинить усиливаемые импульсы без изменения их частотного состава. Это достигается за счет их пропускания в системах с дисперсией, в которых скорость распространения света зависит от его частоты. Прошедший через такую систему импульс приобретает «чирп» и становится длиннее. Примерами часто используемых диспергирующих систем являются пара призм или пара дифракционных решеток.
Чирпирование позволяет увеличивать длительность импульсов в сотни тысяч раз. Пропорционально удлинению падает и мощность импульса, что позволяет продолжить его усиление в кристаллах. При этом частотный состав импульса сохраняется, что позволяет в дальнейшем сжать импульс обратно, пропустив его через диспергирующую систему, обратную первоначальной.
Критически важным оказался тот факт, что при отражении материалы способны выдерживать значительно более высокие интенсивности излучения, чем при его распространении внутри того же материала. Поэтому сжимающую импульс диспергирующую систему исполняют на основе дифракционных решеток, которые работают на отражении.
Этот метод (CPA) позволил увеличивать мощность не за счет увеличения энергии, а за счет уменьшения длительности импульсов. Практически одновременно с изобретением метода был открыт новый лазерный материал — титан-сапфир (оксид алюминия, легированный ионами титана), который обладал достаточной шириной полосы усиления, чтобы обеспечить генерацию импульсов длительностью всего в 20–30 фемтосекунд.
Такие лазеры сверхвысокой мощности и сверхкороткой длительности оказались компактными и относительно недорогими. Это привело к их широкому распространению: если до этого тераваттные системы были доступны только лабораториям национального уровня, то теперь их могла позволить себе даже небольшая университетская лаборатория.
Кстати, один из каналов системы Nova, про которую шла речь вначале, оснастили системой CPA, и в 1996 году на ней была достигнута совершенно фантастическая мощность 1,25 петаватта. Началась эра петаваттных лазеров. Рекордная мощность лазерных импульсов на данный момент — 5 ПВт — была достигнута в 2016 году китайской лазерной системой SULF (Superintense Ultrafast Laser Facility).
Для дальнейшего роста мощности импульсов ученые планируют вернуться к старой идее: свести в точке излучение нескольких петаваттных лазеров. Сейчас обсуждается три таких проекта — в Европе, Китае и России. Российский проект XCELS был подготовлен в Институте прикладной физики РАН и формально поддержан в 2012 году правительством России по программе «Проектов MegaScience». Его инициировал и продвигал нынешний президент Академии наук Александр Сергеев, тогда зам. директора ИПФ РАН.
Ж. Муру, кстати, тоже приложил к этому проекту свою руку, поскольку в 2010–2014 годах возглавлял в Нижегородском государственном университете лабораторию в рамках проектов мегагрантов. Однако финансирование XCELS, к сожалению, до сих пор не начиналось.
Петаваттные лазеры сейчас используются в основном для генерации пучков высокоэнергичных частиц: электронов, протонов и других ионов. Выступая как альтернатива традиционным ускорителям, работающим на основе радиочастотных резонаторов, сверхмощные лазеры позволяют, например, ускорить электроны до нескольких гигаэлектронвольт на расстоянии порядка нескольких сантиметров, в то время как для традиционных методов для этого потребовалась бы вакуумная труба длиной в сотни метров. Перспективным применением таких электронов является генерация сверхъяркого рентгеновского излучения, с помощью которого можно проводить фазово-контрастную рентгенографию, востребованную в медицине.
Достижения в области лазерного ускорения протонов и ионов значительно скромнее: текущий рекорд энергии полученных протонов не превышает 100 мегаэлектронвольт, в то время как традиционные ускорители позволяют получать гига- и даже тераэлектронвольты. Чуть более быстрые протоны — с энергией около 200-400 МэВ — можно было бы использовать для протонной лучевой терапии. Сейчас же они находят свое применение в основном для протонографии. Кроме того, протоны удается эффективно конвертировать в нейтроны, создав сверхъяркий источник для нейтронографии и нейтронной физики. Такие источники потенциально могут помочь, например, разобраться с плохо изученным r-процессом (быстрым процессом захвата нейтронов), который, по всей видимости, обеспечил наличие в нашей Вселенной элементов тяжелее никеля.
Наконец при мощности в десятки петаватт захватывающей перспективой выглядит возможность изучать квантовые свойства вакуума. Интенсивность излучения в этом случае позволит порождать высокоэнергичные гамма-фотоны, тут же распадающиеся на электрон-позитронные пары. За времена меньше оптического периода плотность образующейся плазмы может достичь невероятных значений вплоть до 1026 см3. Такие системы позволят рутинным образом изучать квантовую электродинамику в сильно нелинейном режиме взаимодействия.
CPI‑терапия: впереди длинный и непростой путь
1 октября 2018 года Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена двум иммунологам: 70-летнему профессору Техасского университета (США) Джеймсу Эллисону (James P. Allison) и 76-летнему профессору Киотского университета (Япония) Тасуку Хондзё (Tasuku Honjo) за «открытия терапии рака путем ингибирования отрицательной иммунной регуляции».
О проблематике иммунотерапии рака рассказывает Дмитрий Чудаков, зав. отделом геномики адаптивного иммунитета ИБХ РАН, ассоциированный профессор Сколтеха, руководитель лаборатории геномики адаптивного противоопухолевого иммунитета Приволжского исследовательского медицинского университета, зав. отделом молекулярных технологий РНИМУ им. Н. И. Пирогова.
Представление о том, что во многих случаях иммунная система пациента, получив верные стимулы и подсказки, принципиально способна уничтожить опухоль, формировалось на протяжении нескольких последних десятилетий. Тем не менее до недавнего времени успехи в иммунотерапии онкологических заболеваний оставались относительно малозаметны.
Новые возможности и надежды открылись с получением антител, избирательно узнающих и подавляющих «контрольные точки» иммунного ответа — рецепторные молекулы, в норме тормозящие избыточную пролиферацию и активацию Т-лимфоцитов, такие как PD-1 и CTLA-4.
Такие рецепторы подавляют в том числе и активность так называемых цитотоксических Т-лимфоцитов — клеток, способных специфично уничтожать наши собственные клетки — инфицированные либо злокачественные. С одной стороны, этот механизм необходим для предотвращения разрушительной активности иммунной системы и развития аутоиммунных заболеваний. С другой стороны, этот же механизм зачастую ограничивает необходимый противоопухолевый ответ.
Антитело к CTLA-4 (Ipilimumab) стало первым таким препаратом, в 2011 году одобренным к клиническому применению для злокачественной меланомы. Любопытно, что основной механизм действия Ipilimumab, как показали более поздние исследования, оказался несколько иным, чем предполагали разработчики.
Дело в том, что Ipilimumab представляет собой цитотоксическое антитело (т. е. способное приводить к уничтожению помеченных клеток), и его инъекция приводит к элиминации подтипа лимфоцитов, наиболее выраженно экспрессирующих CTLA-4 на своей поверхности, а именно регуляторных Т-лимфоцитов (Treg). Так как основная функция Treg состоит в том, чтобы подавлять чрезмерные ответы эффекторных Т-лимфоцитов, их элиминация приводит к выраженной активации цитотоксического, в том числе противоопухолевого Т-клеточного ответа.
Однако такая тотальная активация сопряжена и с тяжелыми аутоиммунными эффектами, что существенно ограничивает применение Ipilimumab. В настоящее время ведутся испытания различных вариантов нецитотоксических антител к CTLA-4, эффект которых может оказаться менее выраженным, но более щадящим с точки зрения вызываемых аутоиммунных реакций и может существенно помочь в случае удачной комбинации с другими подходами.
Несмотря на то что механизм действия первого же одобренного CPI оказался отличным от задуманного, достигнутые первые успехи открыли дорогу разработке целой палитры новых иммунотерапевтических подходов.
В 2014 году для терапии злокачественной меланомы было одобрено первое антитело к PD1 (Pembrolizumab, коммерческое наименование Keytruda). Клинические исследования анти-PD1 терапии CheckMate-066 и KEYNOTE-006 (с оговоркой — проведенные заинтересованными фармкомпаниями) для пациентов с неоперабельной либо метастазирующей меланомой (с оговоркой — ранее не получавших терапию) показали более чем 70-процентную выживаемость в течение одного года.
Трехлетняя выживаемость достигает 40% (для сравнения: до появления CPI-терапии этот показатель не превышал 10%). Для 10-15% пациентов удается добиться полного долговременного излечения. В целом для большей части пациентов из числа преодолевших двухлетний рубеж прогноз остается положительным.
В настоящее время применение шести различных CPI (антител к CTLA-4, PD-1 и PD-L1 — лиганду PD1) и их комбинаций с другими подходами рекомендовано при определенных показаниях для 11 различных онкологических заболеваний. Наибольшая эффективность анти-PD1-терапии показана при меланоме, немелкоклеточном раке легкого, раке мочевого пузыря, тройном негативном раке молочной железы.
В настоящее время проходит более 250 клинических испытаний новых иммунотерапевтических подходов, таких как новые онковакцины, CPI, CAR-T-терапии и онколитические вирусы. Идет более 700 испытаний комбинаций препаратов анти-PD-1 или анти-PD-L1 с другими терапиями, и целый ряд комбинационных подходов демонстрирует обнадеживающие результаты. В частности, многообещающе выглядят комбинации анти-PD-1/ PD-L1-терапии и таргетной терапии, такой как ингибиторы киназ BRAF и/или MEK для пациентов с меланомой, несущей мутацию BRAF.
Необходимо понимать, что взаимоотношения между клетками опухоли, микроокружения и иммунной системы весьма сложны и разнородны. Эволюционирующие опухолевые клетки подбирают самые различные способы ингибирования либо ухода от иммунного ответа, далеко не все из которых на сегодняшний день известны и понятны. Клиницистам, иммунологам, молекулярным биологам, биоинформатикам и программистам предстоит еще очень о многом договориться и вместе пройти длинный и непростой путь, прежде чем мы научимся подбирать верную терапевтическую комбинацию для каждого пациента.
Тем не менее Нобелевская премия 2018 года по физиологии и медицине, заслуженно присужденная основоположникам CPI-терапии — Джеймсу Эллисону (показал ингибирующую функцию CTLA-4, 1987 год) и Тасуку Хондзё (открытие молекулы PD1, 1992 год) — знаменует успешное начало этого пути.
«Думаю, абсолютной победы над раком не будет»
Равшан Атауллаханов, докт. мед. наук, профессор МГУ им. Ломоносова, руководитель отдела и лаборатории Института иммунологии Федерального медико-биологического агентства, ответил на вопросы ТрВ-Наука.
— Удивила ли вас Нобелевская премия этого года?
— Нет, не удивила. Уже пару лет назад в США активно обсуждали возможность присуждения Нобелевской премии Джеймсу Эллисону. Джеймс и Тасуку Хондзё — достойные ученые, совершившие достойное открытие. Сила его в том, что оно привело к созданию новых методов спасения больных раком.
— Какие перспективы, на ваш взгляд, сейчас у иммунотерапии рака?
— Иммунотерапия рака имеет огромные перспективы. Этот подход имеет несомненные преимущества перед другими методами лечения. Он использует «внутреннего доктора» (читай «иммунную защиту»). Этот доктор в течение десятилетий успешно предотвращает возникновение злокачественных новообразований в организме человека. Опухоли возникают, когда иммунная защита сплоховала. Это бывает вследствие самых разных причин — от стресса до старения.
Следовательно, трудно придумать что-либо более естественное, более совершенное, чем созданный природой эффективный механизм борьбы со злокачественными мутантными клетками. Потому я верю в большие перспективы иммунотерапии, смысл которой — в использовании иммунитета человека и его инструментов (молекул и клеток) для борьбы со злокачественной опухолью.
— Победит ли когда-нибудь человечество эту болезнь?
— Никто не знает будущего. Я тоже. Думаю, абсолютной победы не будет, но лечение станет эффективным в том смысле, что больные будут жить долго при нормальном качестве жизни. Это тот самый случай, когда количество имеет значение. Пусть неабсолютное по эффективности лечение остановит рак на 30–40 лет. Это и есть желанный результат.
Почему я думаю, что абсолютного эффекта не будет? Потому что победишь одну опухоль — а через какое-то время возникнет другая и т. д. Сам процесс возникновения опасных мутантных клеток и возможность каких-то из них «проскочить» иммунный контроль вряд ли куда-то исчезнут. Это плата за большое количество клеток, составляющих наш организм, и за их обновление (размножение), при котором возникают ошибки в геноме клеток, следовательно, с определенной частотой рождаются опасные мутанты.
Беседовала Наталия Демина
* * *
Нобелевская премия по химии за 2018 год досталась троим ученым. Половину премии получит американская исследовательница Фрэнсис Арнольд (Frances Arnold) «за направленную эволюцию ферментов», вторую половину поровну поделят Джордж Смит (George Smith) из США и сэр Грегори Уинтер (Gregory Winter) из Великобритании «за работы по фаговому дисплею пептидов и антител».
old.nobelprize.org/che-press.pdf
Нобелевская премия по экономике (более точно — премия Государственного банка Швеции памяти Альфреда Нобеля) за 2018 год присуждена американцам Уильяму Нордхаусу (William Nordhaus) «за включение изменений климата в долгосрочный макроэкономический анализ» и Полу Ромеру (Paul Romer) «за включение технологических инноваций в долгосрочный макроэкономический анализ».