Радиация против малярии

Более 200 млн случаев ежегодно. 405 тыс. погибших только в 2018 году, из которых 67% — дети до пяти лет. Почти половина населения в мире — в зоне риска. Такова статистика ВОЗ по заболеваемости малярией — древнейшей болезнью, победить которую человечеству до сих пор не удалось.

Глобальное бремя малярии почти полностью ложится на страны Африки, расположенные к югу от пустыни Сахара. Неблагополучными также считаются некоторые регионы Юго-­Восточной Азии, Центральной и Южной Америки, острова западной части Тихого океана. Многие из этих территорий эндемичны и по другим опасным инфекциям, заражение которыми происходит через укусы насекомых (они называются трансмиссивными): лихорадкам денге, Зика, чикунгунья, желтой и пр.

В 36 странах Африки, расположенных южнее Сахары, большой проблемой является человеческий африканский трипаносомоз (сонная болезнь), который переносит муха це-це, — болезнь опасна не только для людей, но и для животных. Вирус Зика, давно известный и до некоторых пор не внушавший ученым опасений, в 2015 году заявил о себе в новом качестве: были выявлены случаи микроцефалии у младенцев, родившихся у женщин, инфицированных во время беременности или в течение нескольких месяцев до нее.

Далеко не все трансмиссивные болезни излечимы. Существуют лекарственные препараты от малярии, однако они не всегда доступны для заболевших, учитывая низкий уровень жизни и проблемы с медицинской помощью во многих странах, где эта проблема актуальна. Медикаментозная профилактика заражения малярией тоже существует, но больше подходит для тех, кто разово выезжает в эндемичные районы, так как предусматривает курсовой прием препаратов. Вакцины от малярии сейчас проходят клинические испытания, однако они, вероятно, тоже не станут широко доступными для населения опасных территорий. Такие меры, как защита от укусов комаров с помощью москитных сеток, ношения закрытой одежды и избегания мест, где есть стоячая вода, которые перечисляются в памятках для туристов, в случае постоянного проживания в сельских районах Африки и ЮВА зачастую трудновыполнимы.

Например, по данным ВОЗ, в 2010 году обработанными инсектицидами москитными сетками для сна пользовались только 29% жителей Африки, находящихся в зоне риска по малярии; в 2017 году их количество увеличилось, но не превысило 50%. В том же году лишь в 5% случаев была доступна обработка жилых помещений путем распыления инсектицидов остаточного действия, которая проводится 1−2 раза в год.

Параллельно с созданием новых фармацевтических препаратов для профилактики и лечения малярии и других трансмиссивных инфекций ведется работа над технологиями, позволяющими системно воздействовать на их переносчиков. Один из примеров — генетический метод, подразумевающий снижение численности комаров за счет их стерилизации с помощью радиоактивного облучения.

Ставка на мутации
Начало XX века стало эпохой активного взаимодействия физики и медицины. Открытие, совершенное в 1895 году Вильгельмом Рентгеном, послужило толчком для развития сразу нескольких областей науки, для появления новых идей, неожиданных находок и изобретений.

Так, в 1926 году американский генетик Джозеф Меллер в ходе серии экспериментов сумел доказать собственную теорию о том, что рентгеновское излучение вызывает мутацию генов у мушек-­дрозофил, причем скорость этого процесса напрямую зависит от дозы. В 1946 году за это открытие Меллер получил Нобелевскую премию.

Другой американский ученый, энтомолог Эдвард Ниплинг, спустя пять лет предположил, что можно регулировать популяцию сельскохозяйственных вредителей, намеренно вызывая у части насекомых генные мутации, но не влияя при этом на их жизнедеятельность. В 1970 году в The New York Times Magazine вышла статья о Ниплинге, в которой ученого называли автором «самой оригинальной мысли в XX веке». Именно он официально считается автором метода стерильных насекомых — Sterile Insect Technique (SIT или МСН).

Примерно в то же время идею регулирования численности насекомых путем разведения и выпуска в популяцию особей с генетическими аномалиями предложил советский ученый Александр Серебровский, основоположник радиационной генетики в СССР и автор понятия «генофонд». К 1940 году он, заведующий кафедрой генетики биологического факультета МГУ, разработал теоретические методы борьбы с насекомыми-­вредителями, суть которых — в выведении особей, бесплодных из-за хромосомных нарушений. Работы А. Серебровского, как и разработки Д. Меллера, касались главным образом тех видов, которые повреждают растения и значимы для сельского хозяйства.

В 1950-х годах были предприняты первые попытки реализовать метод стерилизации на практике — в частности, для воздействия на популяцию сельскохозяйственных вредителей на острове Санибел в Мексиканском заливе в 1952 году и на острове Кюрасао в Карибском море в 1954-м. Островные условия были выбраны из-за возможности изоляции, но уже в 1959 году выпуск стерильных насекомых был осуществлен в материковой части штата Флорида.

Комар с пользой
На сегодняшний день разработаны и применяются несколько методов регуляции численности насекомых. Например, для борьбы с инвазивными вредителями в той местности, откуда был завезен определенный вид, отыскиваются такие «биологические агенты борьбы», которые в естественной среде являются для него хищниками или паразитами. Пример — божья коровка-­арлекин, которая в свое время была целенаправленно завезена из Азии в Европу и Северную Америку для борьбы с тлей.

С насекомыми, повреждающими растения, борются и при помощи феромонов — аттрактантов, запах которых привлекает вредителей. Искусственные аналоги этих веществ, подобранные в зависимости от вида насекомых, помещают в специальные ловушки, установленные непосредственно на полях и в садах. Привлеченные феромонами особи попадают туда и выбраться уже не могут (есть ловушки на клеевой и бесклеевой основе). Кроме того, момент активного лёта показывает, когда применение инсектицидов будет наиболее эффективным. Еще один метод основан на стерилизации особей химическими веществами, которые либо попадают в их организм с пищей (в специальные составы добавляют аттрактанты для привлечения насекомых), либо наносятся на покров их тел — это называется хемостерилизацией.

Стерильности насекомых можно добиться разными способами, и все они исследуются с целью поиска оптимального метода борьбы с переносчиками опасных инфекций. Например, с этой целью самцов комаров можно заражать вольбахией — бактерией, которая паразитирует внутри клеток членистоногих. Вольбахия вызывает у насекомых цитоплазматическую несовместимость, которая проявляется в невозможности получить потомство при оплодотворении здоровой самки инфицированным самцом. Кстати, стерилизацию самцов за счет заражения вольбахией не стоит путать с заражением самок — технически идентичным, но принципиально другим подходом. Если заразить самок, можно лишить комаров способности переносить патогенные для человека вирусы.

«Вольбахия практически не мешает зараженному комару, никак не влияет на его жизнедеятельность, — объясняет доктор медицинских наук Александр Лукашев, директор Института медицинской паразитологии, тропических и трансмиссивных заболеваний Сеченовского университета. — Однако он становится неспособным переносить лихорадку денге и другие вирусные лихорадки. При этом доля инфицированных комаров в популяции по биологическим причинам растет. Теоретически, если вытеснить вольбахией комаров совсем, они потеряют способность переносить вирусные лихорадки. Противники этого подхода говорят о неконтролируемом распространении генетически модифицированных комаров, а сторонники сравнивают таких комаров с йогуртом с полезными бактериями. К сожалению, этот метод пока не применим для борьбы с малярией».

Другой способ стерилизации — радиоактивное облучение. Технология подразумевает несколько этапов: разведение насекомых на специальных биофабриках, затем сортировку на самок и самцов — обычно на стадии куколки, обработку мужских особей ионизирующим излучением (используются преимущественно изотопы кобальта и цезия) в контролируемых условиях и последующий выпуск в целевых местах. Облучение повреждает хромосомы в половых клетках насекомых, в результате те, спариваясь с дикими самками, не дают потомства. При регулярном «подселении» стерильных особей популяция комаров будет снижаться. Работы по разведению и последующий выпуск только самцов объясняются тем фактом, что сами по себе они, в отличие от самок, не кусаются, следовательно, не являются переносчиками инфекций.

Метод стерилизации с помощью радиоизотопов лишен недостатков, присущих другим способам борьбы с насекомыми. В частности, он не предполагает использования инсектицидов, которые могут быть токсичными для окружающей среды, в том числе человека. Кроме того, эксперты отмечают растущую устойчивость насекомых к инсектицидам, снижающую эффективность применения таких средств. Для борьбы с малярийными комарами используются четыре класса подобных веществ — по данным ВОЗ, устойчивость как минимум к одному из них наблюдается в 68 странах из 80 затронутых малярией и предоставляющих данные о заболеваемости. Стерилизация с помощью радиации также не предполагает и внесения в среду чужеродных видов. Последнее, являясь биологическим методом борьбы с насекомыми, может создать проблемы, как и получилось с божьей коровкой-­арлекином: она сама оказалась сельскохозяйственным вредителем, повреждающим виноград и плодовые.

Описывая МСН, Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) ссылается на тот факт, что Международная конвенция по карантину и защите растений причисляет стерильных насекомых к полезным организмам. Прерывание цикла размножения — видоспецифичный процесс, который никак не влияет на других насекомых. Отсутствует и воздействие на экосистему в целом. Опасения по поводу присутствия во внешней среде «генетически модифицированых» комаров, по мнению экспертов, беспочвенны, как и боязнь облученных насекомых. Опыт стерилизации радиацией различных товаров — например, медицинских (перевязочного и шовного материала, одноразовых изделий и пр.) — насчитывает несколько десятилетий: он применялся еще в 1960-х годах, на ранних этапах использования МСН для борьбы с сельхозвредителями.

«Дозы радиации хватает только для стерилизации насекомых, и она незначительна — обработанные особи могут существовать в течение всего своего жизненного цикла, — поясняет Дмитрий Высоцкий, вице-президент по проектам ИР и ЦЯНТ АО „Русатом Оверсиз“. — Такие насекомые не радиоактивны и не представляют угрозы ни для человека, ни для окружающей среды. Безопасность этого метода стерилизации подтверждена многочисленными исследованиями МАГАТЭ».

Мухи отдельно — коровы отдельно
Метод стерилизации насекомых радиацией как инструмент борьбы с сельскохозяйственными вредителями имеет достаточно долгую историю — больше полувека практического применения. Во время Второй мировой вой­ны Э. Ниплинг изучал способы борьбы с переносчиками малярии и тифа — таковы были нужды армии, хотя изначально его работы были связаны как раз с методом воздействия на популяцию сельхозвредителей, в частности мясной мухи. Э. Ниплинг, сын фермера из Техаса, в детстве собственными глазами наблюдал, к каким последствиям может привести нашествие этого насекомого. В 1992 году вместе с коллегой Раймондом Бушлендом он получил за свои труды Всемирную продовольственную премию (World Food Prize) — награду, учрежденную в 1986 году и вручаемую ежегодно за вклад в повышение доступности продовольствия в мире.

К тому моменту, как ученые стали лауреатами этой премии, в мире уже был накоплен успешный опыт стерилизации насекомых с помощью радиации. В частности, мясную муху, разорявшую фермеров на юге США, удалось искоренить полностью. «Она представляла огромную проблему для животноводства, — говорит кандидат биологических наук Илья Митюшев, доцент кафедры защиты растений Российского государственного аграрного университета — МСХА им. Тимирязева. — Это один из видов так называемых синих мясных мух, личинки которых являются облигатными паразитами. Муха откладывает яйца на тело скота, иногда даже человека. Личинки развиваются в живых тканях, питаясь ими. Это приводит к гибели животных, были смертельные случаи и среди людей. За несколько десятилетий расселения стерилизованных куколок мясной мухи на территории США, а также Мексики она исчезла полностью — ее ареал сместился в Центральную Америку. Экономический эффект оценивается в $ 1,5 млрд ежегодно».

Опыт регулирования популяции насекомых, представляющих угрозу сельскому хозяйству, с помощью радиации есть и в отношении других вредителей. В США так решали проблему не только мясной мухи, но и хлопкового долгоносика. Интересный факт, который мог бы стать иллюстрацией поговорки «нет худа без добра»: в начале XX века в штате Алабама это насекомое четыре года подряд уничтожало урожай хлопка, что заставило местных фермеров искать более выгодную культуру. Они стали сажать вместо хлопка арахис, который вредителя не интересовал. Это оказалось делом настолько выгодным, что в 1919 году в городе Энтерпрайз хлопковому долгоносику установили памятник — в благодарность за процветание.

Еще в СССР проводились успешные эксперименты по применению метода стерилизации радиацией против яблонной плодожорки, поражающей плоды яблони, груши и айвы. В Европе актуальна проблема средиземноморской плодовой мухи. Личинки этого насекомого, считающегося во многих странах карантинным объектом, питаются мякотью плодов более 200 растений — не только плодовых (цитрусовых, персиков, инжира, абрикоса, яблони, черешни и пр.), но и овощных (баклажанов, болгарского перца, помидоров), а также кофе. Повреждение плодов приводит к гниению и гибели урожая вплоть до полной его потери, что приносит огромные экономические убытки сельхозпроизводителям.

В ряде стран Южной Европы, в частности в Италии и Хорватии, а также в Израиле, Северной и Южной Америке, где плодовая муха тоже распространена, с ней борются, в числе прочего, с помощью МСН. В Нидерландах этот метод применяется для подавления популяции луковой мухи — вредителя, повреждающего не только различные виды лука и чеснока, но и другие луковичные растения, в том числе тюльпаны. В Японии стерилизация самцов применялась в отношении такого вредителя тыквенных растений, как дынная муха.

Еще один пример приводит Д. Высоцкий: «Сенегал с помощью технологии стерилизации вкупе с другими эффективными методами смог сократить популяцию мухи це-це на 98% на крупной скотоводческой ферме, как сообщает Сенегальский институт исследований в области сельского хозяйства. В результате фермерам удалось сохранить ценные импортные породы крупного рогатого скота, которые производят в 10 раз больше молока. Как докладывает МАГАТЭ, восьмилетнее исследование территории этой фермы, расположенной недалеко от Дакара, столицы Сенегала, подтвердило, что технология облучения абсолютно безопасна для местной флоры и фауны и никак не воздействует на другие виды насекомых в ареале ее применения».

По словам И. Митюшева, для успешного применения технологии стерилизации нужно соблюдать несколько условий. В частности, доза облучения зависит от вида и пола насекомого и должна быть подобрана таким образом, чтобы не влиять на поведение особей: «Радиация должна разрушать хромосомы в сперматозоидах, но нужно, чтобы самцы оставались активными, отыскивали самок и спаривались так же, как обычные. Кроме того, количество стерильных самцов должно превышать количество необлученных особей, то есть, кроме прочего, нужно иметь представление об общей численности популяции. На одного самца в природе должно приходиться приблизительно 10 стерильных».

Кстати, радиоактивное излучение можно использовать не только для разрушения хромосом в половых клетках насекомых, но и для определения численности популяции — например, посредством выпуска «помеченных» изотопами особей.

Доставка по адресу
Насекомых для последующей обработки разводят на специальных биофабриках, где есть возможность контролировать их развитие до нужной стадии. Стерилизация проводится по тому же принципу, что и обеззараживание товаров и продуктов питания. Паллеты или коробки с продукцией посредством конвейера попадают в небольшое защищенное помещение, где находится источник радиации (гамма-­установка или ускоритель электронов), и проходят через участок облучения. После обработки продукция попадает в чистое помещение, а оттуда — в место хранения.

В 2016 году Росатом и Агентство по атомной энергии Боливии подписали соглашение о строительстве Центра ядерной науки и технологий (ЦЯНТ). Такой центр, основа которого — исследовательский реактор и ряд лабораторий, предназначен для решения разнообразных задач в сфере науки, здравоохранения, промышленности и сельского хозяйства. В частности, по желанию заказчика он может быть оснащен многоцелевым центром облучения, позволяющим применять, в числе прочего, технологию радиационной стерилизации насекомых — не только сельскохозяйственных вредителей, но и переносчиков опасных инфекций.

Д. Высоцкий приводит в пример Аргентину, которая благодаря совместной программе МАГАТЭ и Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных наций (ФАО) уже наработала большой опыт применения этой технологии для борьбы с плодовыми мухами: «Это позволило фруктовой индустрии страны предотвратить убытки в миллионы долларов. Сейчас Аргентина активно развивает данную технологию для борьбы с москитами Aedes aegypti. С 2015 года, после вспышки вируса Зика, который также переносит этот вид москитов, 21 страна региона Латинской Америки и Карибского бассейна при поддержке МАГАТЭ освоила данную технологию. Если говорить об использовании технологии облучения для контроля численности москитов, то, по заявлению МАГАТЭ, запущены успешные пилотные проекты в Италии, Индонезии, Китае, на Маврикии».

Несмотря на советский опыт и современные технические возможности, в России стерилизация насекомых с помощью радиации не проводится. Проблема малярии и вирусных лихорадок, передающихся через укусы комаров, в нашей стране не стоит, однако сельскохозяйственных вредителей, по словам И. Митюшева, достаточно: «Из последних „находок“ — например, обнаруженный в Краснодарском крае шесть лет назад мраморный клоп. Он повреждает очень широкий круг растений — от овощных до плодовых. Ест практически все, по пищевому диапазону его можно сравнить с саранчой. Для борьбы с ним сейчас используются феромонные ловушки, а можно было бы применять метод радиоактивной стерилизации, хотя подходит он не для всех насекомых — нужно учитывать особенности их биологии».

Сегодня промышленное применение метода радиоактивной стерилизации только начинается, несмотря на десятилетия успешного опыта. До сих пор ведется поиск оптимальных методов доставки стерильных насекомых к целевому месту, что особенно актуально для борьбы с малярией и вирусными лихорадками. Как правило, это происходит воздушным путем — в США, например, куколок мясной мухи рассеивали с самолетов и вертолетов. В Бразилии не так давно был проведен эксперимент по использованию с этой целью системы дронов, разработанной МАГАТЭ совместно с ФАО. Ситуация осложняется, кроме прочего, необходимостью поддерживать определенную температуру рядом с особями между облучением и выпуском — она должна держаться в промежутке от +5 до +10 °С.

Широкому применению радиационной стерилизации опасных насекомых может препятствовать и необходимость выстроить систему логистики. По словам А. Лукашева, для борьбы с малярией требуется постоянный выпуск стерильных особей, иначе численность комаров восстановится очень быстро: «Построить фабрику — автоматизированную, роботизированную — и регулярно облучать в ней миллионы комаров — вполне решаемая задача. Вопрос в том, каким образом регулярно доставлять их до нужного места — вернее, до ­огромного количества точек. Транспортировать их можно в течение нескольких суток, но там, где остро стоит вопрос малярии — по большей части речь идет о бедных странах, — не везде ­достаточно дорог. Логистически и организационно это, возможно, больший вызов, чем ­организация самогó процесса обработки комаров».

Сегодня вопрос борьбы с малярией решается комплексно: разрабатываются и совершенствуются как меры борьбы с самой инфекцией — например, вакцины и лекарственные средства, так и методы воздействия на популяцию комаров, в том числе с помощью радиации. Возможно, комплексный подход в конце концов позволит если не искоренить эту инфекцию совсем, то снизить заболеваемость, сохранив миллионы жизней.