На кончике стеклянной пипетки: как клеточная электрофизиология открывает тайны сердца. Интервью с биологом Д.В. Абрамочкиным

Как наше сердце понимает, когда ему нужно сократиться? Все дело в электричестве: каждую секунду в клетках миокарда открываются и закрываются тысячи особых мембранных белков — ионных каналов. В клеточной электрофизиологии эти процессы изучают буквально вручную, используя метод патч-кламп — ювелирную технику, позволяющую подключиться к одной-единственной живой клетке. В интервью с биологом Денисом Абрамочкиным мы поговорили о том, зачем ученые исследуют сердца сусликов, рыб и лягушек и как электрофизиология сердца помогает лечить людей.

Справка: Денис Валерьевич Абрамочкин — российский биолог-физиолог, специалист в области клеточной электрофизиологии сердца; доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физиологии человека и животных биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник лаборатории электрофизиологии сердца НМИЦ кардиологии им. ак. Е.И. Чазова Минздрава РФ, руководитель ряда исследовательских проектов, поддержанных Российским научным фондом (РНФ).

— Вы на протяжении многих лет изучаете сердца змей, лягушек, рыб и многих других существ. Что такое электрофизиология сердца и почему очень важно исследовать сердца различных животных, а не только сердце человека?

— Наша дисциплина изучает электрические процессы в сердце животных и человека. Как известно, сердце сокращается только после того, как по нему прошла волна электрического возбуждения. Это касается не только всего органа, но и отдельных его клеток — кардиомиоцитов. В состоянии покоя мембрана такой клетки изнутри заряжена отрицательно (около –80 мВ, мембранный потенциал покоя) по отношению к внешней среде, а возбуждение — это ее перезарядка, или деполяризация. Затем потенциал постепенно, в течение 200–300 мс, возвращается к исходному уровню (реполяризация). Весь комплекс деполяризации и реполяризации называется потенциалом действия. Следствие потенциала действия — временный подъем внутри кардиомиоцита концентрации кальция, который запускает сократительный аппарат клетки. Таким образом, если нет возбуждения, то нет и сокращения.

Важно не только возникновение возбуждения, но и то, чтобы оно прошло по сердцу строго определенным путем. Если путь нарушен (например, возбуждение идет по кругу), это называется аритмией. Наша наука изучает в том числе механизмы возникновения аритмий и способы борьбы с ними.

Мы биологи, а не врачи, и здесь на биологическом факультете МГУ нам прежде всего интересно узнать, как в ходе эволюции развивалась электрическая активность сердца, как она менялась и меняется при изменении условий среды, например температуры. Так, сердца рыб, амфибий и рептилий могут работать как при высоких, так и при низких температурах, в отличие от человеческого сердца, и это открывает очень большое поле для интересных исследований.

Есть еще одна причина, почему нужно изучать сердца животных разных систематических групп. Эксперименты на изолированных кардиомиоцитах человека крайне затруднительны; кроме того, образцы берутся у больных людей, а нам интересна норма. Поэтому нужно подбирать подходящие животные модели: результаты, полученные на них, можно транслировать на человека. Если не знать межвидовых различий, выбор может пасть на совершенно неподходящую модель. Так, например, нельзя изучать вещества, влияющие на реполяризацию, на мышах или крысах, поскольку в их сердцах нет таких ионных каналов, которые отвечают за реполяризацию в человеческом сердце.

— Вы упоминали животных, способных впадать в состояние, близкое к анабиозу. Как их сердце выдерживает такие экстремальные условия?

— Точнее будет называть это гипобиозом. Мы изучаем гибернирующих млекопитающих, в частности сусликов, ежей, летучих мышей. Зимой температура тела таких животных падает почти до уровня окружающей среды. У якутского суслика, например, при +2 °C пульс замедляется с 300 до 15 ударов в минуту, но сердце продолжает работать без аритмий. У этих представителей фауны есть особые молекулярные механизмы защиты миокарда, которых нет у человека или других негибернирующих млекопитающих. Например, у гибернантов снижение температуры не вызывает такого сильного уменьшения потенциала покоя, а также переполнения кардиомиоцитов кальцием, как у человека или крысы. Вряд ли мы сможем «превратить человека в суслика», но понимание этих фундаментальных механизмов существенно обогащает физиологические науки.

— А патологии у них схожи с человеческими? Бывают ли у животных аритмии в естественной среде?

— Механизмы возникновения аритмий универсальны. Мы можем моделировать их в лаборатории, подбирая виды, чей набор ионных каналов максимально близок к нашему. В природе животные редко страдают от подобных недугов просто потому, что не доживают до глубокой старости. Аритмии — это во многом спутники возраста. А вот домашние питомцы, живущие долго, вполне могут сталкиваться с такими же патологиями, что и люди.

— Если говорить о стрессе, как именно он влияет на «электрику» нашего сердца?

— Стресс — крайне комплексное явление, но во всяком случае на первой фазе стрессорной реакции в организме активируется симпатическая нервная система, обеспечивающая реакцию «бей или беги». Чтобы организм мог действовать активно, сердце ускоряет ритм, миокард усиливает сокращения и быстрее проводит импульсы. За это отвечает, в частности, увеличение кальциевого тока. Но здесь кроется риск. Избыточный кальциевый ток может спровоцировать опасные желудочковые аритмии. В норме у нас есть «ток-защитник» (медленный калиевый ток задержанного выпрямления), который компенсирует этот эффект. Однако если из-за мутации в гене калиевого канала он не справляется, стресс может стать триггером фатальной аритмии — фибрилляции желудочков. Подобные мутации мы описали в своей недавней совместной работе с группами профессоров Ольги Сергеевны Соколовой (кафедра биоинженерии биофака МГУ) и Елены Валерьевны Заклязьминской (РНЦХ им. ак. Б.В. Петровского).

— Приносят ли ваши фундаментальные исследования практическую пользу медицине?

— Наша группа неразрывно связана с лабораторией электрофизиологии сердца НМИЦ кардиологии им. ак. Е.И. Чазова, возглавляемой профессором Владиславом Стефановичем Кузьминым. Тематика работ, проводимых в Кардиоцентре, во все времена имела медицинское приложение. В этом контексте не могу не упомянуть работу, начатую академиком Леонидом Валентиновичем Розенштраухом (1937–2020), моим учителем. Он легендарная личность, автор четырех антиаритмических препаратов, которые до сих пор используются аритмологами. Последняя его разработка — препарат «Рефралон» (международное название — кавутилид).

В медицине нередко случается, что лекарство начинают применять, не до конца изучив молекулярный механизм его воздействия. Так было и с «Рефралоном»: его исключительно высокую эффективность в купировании фибрилляции предсердий обнаружили до того, как нашли конкретную мишень этого препарата в кардиомиоцитах.

Только в 2013 г., когда мы собрали установки для регистрации ионных токов методом патч-кламп, нам удалось выяснить, что препарат воздействует на каналы Kv11.1, отвечающие за быстрый калиевый ток задержанного выпрямления. Замедляя реполяризацию и удлиняя потенциал действия, «Рефралон» буквально разрывает круговую траекторию возбуждения, по которой оно движется в предсердиях при мерцательной аритмии. Сегодня врачи НМИЦК им. ак. Е.И. Чазова успешно применяют его даже в самых сложных случаях персистирующей мерцательной аритмии.

— Многие врачи прошлого испытывали на себе вакцины и даже яды. А вы, насколько я знаю, недавно пережили приступ аритмии. Что вы можете сказать об этом опыте?

— Да, в прошлом году у меня случился приступ фибрилляции предсердий. Как специалист я сразу понял, что происходит. К сожалению, «Рефралон» на себе опробовать не удалось: врачи скорой помощи уже ввели другой препарат, и смешивать их было нельзя. Но это был полезный, хоть и неприятный опыт «взгляда изнутри».

— Как же минимизировать риски и защитить сердце?

— Здесь наука солидарна с классической медициной. Главные враги нашего сердца — курение, лишний вес, гиподинамия и алкоголь. Последний, кстати, — один из самых мощных и доказанных триггеров фибрилляции предсердий.

— У животных нет вредных привычек: они не курят и не употребляют алкоголь. Тем не менее выше вы упоминали, что они подвержены аритмиям, как и люди. Почему так происходит, дело только в возрасте?

— Верно. Помимо внешних факторов, которые мы можем контролировать, существует возраст, изменить который невозможно. С годами в миокарде неизбежно накапливаются структурные изменения, провоцирующие различные виды аритмий: от брадиаритмии, требующей установки кардиостимулятора, до тахиаритмии.

Например, среди людей старше 80 лет более 10% сталкиваются с предсердной мерцательной аритмией. Сама по себе она не несет угрозы жизни, но в десятки раз увеличивает вероятность ишемического инсульта.

Как я уже говорил, в дикой природе животные редко доживают до возраста, когда изменения в миокарде становятся критическими. Однако в лабораторных условиях мы можем наблюдать эти процессы, работая со специально состаренными группами животных. Кроме того, для исследовательских целей мы можем моделировать аритмии с помощью фармакологических препаратов.

Хотя звери в естественной среде обитания избавлены от человеческих факторов риска, время и биологические механизмы старения действуют на их сердца так же, как и на наши.

— Ваша группа изучает сердце на всех уровнях: от отдельных каналов в мембране до целого органа. Как это организовано технически?

— Мои ученики в основном работают с отдельными клетками — свежевыделенными кардиомиоцитами и клеточными культурами. Коллеги же под руководством профессора Владислава Стефановича Кузьмина исследуют ткани, целое сердце, а также проводят эксперименты in vivo.

Когда мы работаем совместно, такой многоуровневый подход позволяет увидеть полную картину: от молекулярного сбоя до нарушения ритма всего сердца.

— При этом используете метод патч-кламп, за который в 1991 г. дали Нобелевскую премию. В чем его сложность и почему специалистов в этой области так мало?

— Это главный метод в клеточной электрофизиологии сердца. Под микроскопом к живой клетке подводится заполненная специальным раствором стеклянная пипетка, внутри которой находится соединенный с усилителем электрод. Затем кончик пипетки (диаметром около 2 мкм) всасывает внутрь нее часть мембраны, образуется плотный контакт между мембраной и внутренней стенкой пипетки с высоким электрическим сопротивлением (так называемый гигаомный контакт). Затем в мембране, находящейся внутри пипетки, прорывается отверстие, после чего мы можем контролировать мембранный потенциал клетки и регистрировать ионные токи, проходящие через ионные каналы в мембране исследуемой клетки.

Используя этот метод, ученый не просто «нажимает на кнопки компьютера» (как мог бы подумать человек, не знакомый с методом патч-кламп), а совершает сложные манипуляции на микроуровне, поднося под микроскопом хрупкий кончик пипетки к живой клетке. Кстати, патч-пипетки мы не привозим откуда-то, а сами изготавливаем их из специальных стеклянных капилляров на станке-пуллере.

Когда я в 2000-х гг. начинал трудиться в этой области, в России было негде научиться работе этим методом на кардиомиоцитах, поэтому я поехал в Финляндию. Затем здесь, на биологическом факультете МГУ, мы собрали первую патч-кламп-установку, причем буквально из запчастей, купленных на eBay. Однако это позволило получить первые гранты и принципиально изменить ситуацию: теперь у нас есть современная лаборатория, где мы не только проводим исследования, но и обучаем студентов кафедры, а также организуем мастер-классы для студентов и сотрудников других организаций.

— Ваша научная группа очень молодая: почти всем нет и сорока. Как вам удается удерживать таланты в науке?

— Ученому нужны две вещи: достойная оплата и искренний интерес. С первым во многом помогает Российский научный фонд, а со вторым — сама тематика. Мы занимаемся не только прикладными медицинскими задачами, но и тем, что называем «исследованиями для души»: эволюционной физиологией, гибернацией, экологической физиологией. Это позволяет не выгорать. Без любопытства наука превращается в рутину. Больших денег здесь обычно не бывает, и ученых держит именно страсть к познанию. Мы стараемся поддерживать этот огонь, и пока нам это удается.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ