Академик М.А. Островский, президент Физиологического общества им. И.П. Павлова.
– Михаил Аркадьевич, в Институте биохимической физики им. Эмануэля РАН вы работаете уже полвека. Как получилось, что вы пришли именно сюда?
– Это интересная история. По образованию я физиолог, окончил кафедру физиологии человека и животных Биологического факультета Московского университета. Моим учителем был замечательный ученый, заведующий кафедрой Хачатур Сергеевич Коштоянц. В те годы в Ленинграде ещё жил и работал легендарный Леон Абгарович Орбели. Это были два выдающихся ученых в области эволюционной и сравнительной физиологии. И вот Коштоянц нам, студентам, привил любовь к классической и сравнительной физиологии. Это мне было близко, и до сих пор я не оставил эту студенческую любовь. Многие годы совместно с финскими физиологами мы занимаемся сравнительной физиологией зрения беспозвоночных животных; изучаем, как две популяции креветок одного и тоже вида приспосабливаются к совершенно различным условиям световой среды обитания – в море и в глубоком озере, каковы молекулярные механизмы такого приспособления.
После университета меня приняли в аспирантуру Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Академия наук. В нём я 12 лет проработал. За это время защитил кандидатскую и, фактически, подготовил докторскую. У меня в этом Институте была совершенно замечательная руководительница, заведующая лабораторией Вера Георгиевна Самсонова. Она была из школы Л.А. Орбели, и этим много сказано. Она-то и дала мне как аспиранту тему и, как оказалось, определила направление всей научной деятельности – исследование первичных механизмов зрения. Попросту говоря, я начал заниматься вопросом, который задали еще древние греки: каким образом свет превращается в зрение? Чем глубже я в эту тему погружался, тем становилось очевиднее, что без физико-химии не обойтись.
И вот тут случилось счастливое событие, когда Николай Николаевич Семенов и его ученик Николай Маркович Эмануэль, имя которого теперь носит наш институт, взяли нашу группу (а у меня уже была группа человек пять) к себе, в Институт химической физики. Я попал в совершенно другой мир. Очень быстро Николай Маркович превратил нашу группу в лабораторию, для чего мне пришлось спешно оформить и защитить докторскую диссертацию. Он дал ей название – «Лаборатория физико-химических основ рецепции», которая существует до сих пор, теперь уже в Институте биохимической физики, который носит имя Н.М. Эмануэля. Ровно 25 лет назад он отпочковался от Института химической физики. А Институт химической физики, ныне носящий имя Н.Н. Семенова, находится рядом, мы, естественно, как были, так и остались на одной территории. Юридически мы, конечно, разделились, но для меня, если честно, ничего особенно не изменилось. С кем мы дружили и сотрудничали, так и продолжали дружить и сотрудничать, не думая, кто в каком институте.
– Что нового для вас открыл переход в этот институт?
– Попав в Институт химической физики, знаменитую Химфизику, я познакомился с выдающимися физиками и химиками, в руках которых были или создавались новые методы и приборы. И надо сказать, что они – эти физики и химики – с удовольствием использовали их в биологических целях. Для физиолога же это был новый подход, новые возможности. Достаточно сказать, что именно в Институте химической физики был передовой фронт электронного парамагнитного резонанса. В Химфизике создавались новые спиновые метки и зонды и способы их применения в химии и биологии. Мы были одними из первых, кто использовал электронный парамагнитный резонанс и спиновые метки для исследования конформационной подвижности белковой части молекулы родопсина, того самого светочувствительного белка, который поглощает попадающий в глаз свет и запускает зрительный акт. С помощью такого подхода мы показали, что при действии света в молекуле родопсина обнажаются места, на которые «садятся» другие белки. Благодаря этому в зрительной клетке запускается ферментативный каскад усиления светового сигнала. Это ключевая стадия в первичном процессе зрения. Зрительную клетку в каком-то смысле можно уподобить маленькой атомной бомбе, в которой квант света, поглощённый родопсином, запускает, по существу, цепную реакцию, которая размножает, усиливает световой сигнал почти в сто тысяч раз. Эта наша работа была пионерской, и выполнить мы её могли только в химфизической научной среде.
– Знаю, вы продолжаете работать в этом направлении…
– В последние годы мы ведем работы по фемтосекундной лазерной спектроскопии, где вспышка света длится всего 25 фемтосекунд. Это уму непостижимо! Одна фемтосекунда – это 10-15 секунды. Эту уникальную лазерную установку создал в Институте химической физики мой друг, потрясающий физик Олег Михайлович Саркисов. И, естественно, я первый пришёл к нему с родопсином. Он тоже увлёкся этой задачей: исследовать сверхбыструю фотохимическую реакцию в ключевой молекуле зрения. Скорость этой реакции, как оказалось, порядка 100 фемтосекунд. Это одна из самых быстрых фотохимических реакций в природе. Свет в зрении нужен только для того, чтобы запустить эту реакцию в этой молекуле. Все последующие реакции в клетке в свете не нуждаются. Мы продолжаем эти работы с учеником Саркисова Виктором Андреевичем Надточенко, который после безвременной кончины Олега Михайловича принял эту лабораторию и который, кстати, недавно стал директором Института химической физики им. Н.Н. Семёнова.
И вот ещё один пример необходимости и плодотворности сотрудничества физиолога с физиками. Совсем недавно вышла наша работа в престижном журнале Biochimica et Biophysica Acta о том, как расположены молекулы родопсина в фоторецепторной мембране зрительной клетки сетчатки глаза. Работа эта выполнена с помощью современных методов нейтронного и рентгеноструктурного анализа. Мы провели это исследование совместно с физиками Объединенного Института Ядерных Исследований в Дубне, поскольку там находится сильнейшая Лаборатория нейтронной физики им. И.М. Франка (фактически Институт), физиками Физтеха в Долгопрудном и Европейской Лаборатории молекулярной биологии в Гренобле.
– Какая конкретно задача была поставлена в этом исследовании?
– Понять, как молекулы родопсина расположены в фоторецепторной мембране. Это фундаментальный вопрос. Казалось бы, какая разница – одна молекула крутится в фоторецепторной мембране или они крутятся в комплексе. Но для понимания первичного механизма зрения, для понимания того, как именно взаимодействует поглотившая света молекула родопсина с другими белками, то есть, как именно запускается ферментативный каскад усиления светового сигнала, – это принципиальный вопрос.
– Вы разобрались с тем, как работает зрение, или остались вопросы?
– Это мировая проблема. Каждый раз это новый виток спирали познания. Я могу прочесть на эту тему цикл лекций, как я это делаю на Биофаке МГУ, где заведую кафедрой молекулярной физиологии. Но если говорить коротко, то мы движемся в этом направлении, мы всё лучше понимаем суть событий – от момента поглощения молекулой родопсина кванта света до возникновения физиологического сигнала в зрительной клетке, его обработки в нервных слоях сетчатки и передачи по примерно одному миллиону двумстам тысячам (у человека) волокон зрительного нерва в мозг. Понимание это имеет не только фундаментальную, естественно-научную значимость, но и практическую, в первую очередь для офтальмологии и гигиены зрения. Свет – не только источник информации (я вижу вас, вы видите меня), но при определённых условиях (скажем, когда его слишком много) – повреждающий фактор. Молекулярной основой повреждения являются процессы фотоокисления. Окисление и фотоокисления – это была область интересов и многолетних исследований самого Николая Марковича Эмануэля. Он активно поддерживал это направление в своём Отделе кинетики химических и биологически процессов. И он, собственно говоря, инициировал наши исследования физико-химических механизмов повреждающего действия света на структуры глаза. Это было сугубо фундаментальное направление. Но оно привело к созданию новых антиоксидантов, нового поколения искусственных хрусталиков глаза.
– Каким образом это получилось?
– Из одной конкретной работы, соавтором которой был и сам Н. М.Эмануэль, следовало, что фиолетово-синяя часть видимого спектра представляет для сетчатки потенциальную опасность. Исходя из этого, в середине 80-х годов мы совместно с сотрудником нашей лаборатории П.П. Заком разработали желтоватые искусственные хрусталики – интраокулярные линзы, которые частично отсекали от сетчатки эту часть спектра и, таким образом, защищали сетчатку от опасности фотоповреждения. Известный наш офтальмолог, Святослав Николаевич Федоров, который прекрасно знал о весьма частых повреждениях сетчатки после имплантации в глаз бесцветных интраокулярных линз, идею нашу оценил и подхватил. У него в МНТК «Микрохирургии глаза» был маленький «свечной заводик», где он и наладил производство этих линз. Его сотрудник, замечательный хирург-офтальмолог Леонид Феодосиевич Линник первым имплантировал новый искусственный желтоватый хрусталик в глаз пациента после удаления катаракты. В последующие годы было имплантировано чуть ли не полтора миллиона таких линз, и статистика показала, что число осложнений на сетчатку резко сократилось. Коллектив наш за эту работу даже получил премию Правительства Российской Федерации.
А сейчас американцы (фирма Алкон) сделали точно такие же по цвету, как наши, интраокулярные линзы, только у нас они были жесткие, из полиметилметакрилата, а они изготовили мягкие. Алконовские интраокулярные линзы сейчас широко используют во всём мире, в том числе и у нас. Они в трубочку свернуты, и когда у пациента диагностирована катаракта, её удаляют и вставляют эту трубочку, которая в глазу расправляется, подобно цветочным лепесткам, и получается линза. Но спектр пропускания точно как наш.
– Выходит, они, мягко говоря, позаимствовали нашу методику?
– Не совсем. Наши хрусталики, точнее композиция красок, которая давала нужный спектр пропускания, была запатентована. Но спектр-то нельзя запатентовать, а другая композиция красок может дать точно такой же спектр. Поэтому нельзя сказать, что они что-то там позаимствовали. Просто такой желтоватый искусственный хрусталик – это физиологическая необходимость.
– Знаю, что вы сейчас занимаетесь другими важными прикладными исследованиями. Какими?
– Это правда. Но хочу подчеркнуть: как и в случае с хрусталиком, проистекают они из фундаментальных исследований механизмов зрения. Фундаментальная наука — это часть культуры, и она ценна сама по себе. Некоторые люди, в том числе высокопоставленные, этой простой истины недопонимают. А приложения, вытекающие из новых знаний, могут случиться, а могут и не случиться. Конечно, каждый нормальный учёный думает и пытается использовать новое знание. Но изначально он работает ради самого знания, ради удовлетворения собственного человеческого любопытства. Атомная бомба и атомная энергетика проистекли из фундаментальных знаний в области ядерной физики. Это яркий, всем известный пример.
Сейчас я увлечен двумя внедрениями. Первое касается усовершенствования метода диагностики дегенеративных заболеваний сетчатки. Второе – попытки вернуть, хотя бы частично, зрение слепым людям.
Что касается диагностики, то здесь мы, с одной стороны, теснейшим образом сотрудничаем с МНТК «Микрохирургии глаза», которое носит теперь имя С.Н. Фёдорова, а именно с профессором Сергеем Анатольевичем Борзенком. Мне его в своё время «подарил» Л.Ф. Линник. С другой стороны, мы ведём эти работы с великолепной, прекрасно оснащённой фотохимической лабораторией нашего Института, расположенной этажом выше, а именно с её заведующим, моим давним другом и коллегой, профессорам Владимиром Александровичем Кузьминым – супер-фотохимиком и спектроскопистом. Работы, участники которых, таким образом, физиологи, медики и фотохимики, получаются хорошие и публикуются в хороших международных журналах.
Суть же метода диагностики состоит в том, чтобы неинвазивно определить дегенеративное заболевание сетчатки. Речь идёт о так называемой аутофлуоресценции глазного дна. Идея проста – слабый синий лазерный луч подаётся в глаз, где он вызывает оранжевое свечение, и это свечение из глаза прибор ловит. Такие приборы уже есть во многих глазных клиниках, в том числе и в наших. Светятся же в глазу, точнее в слое пигментного эпителия, который лежит за сетчаткой, так называемые липофусциновые гранулы или «пигмент старости». Гранулы эти накапливаются в клетке пигментного эпителия с возрастом и особенно интенсивно при патологии. Чем больше свечения, тем больше этих гранул, тем хуже. Гранулы эти способны сильно флюоресцировать. На этом и основан метод аутофлуоресценции глазного дна. Кроме того, липофусциновые гранулы, как мы показали ещё в начале 90-х годов, фототоксичны. При действии света, особенно фиолетово-синего света, они образуют активные, токсичные формы кислорода, которые способны повредить или даже погубить клетку. Поэтому неинвазивно определить накопление и распространение этих гранул на глазном дне – крайне важно для диагностики дегенеративного заболевания сетчатки, в том числе, возрастной макулярной дегенерации – одной из самых распространённых, социально-значимых форм таких заболеваний. Мы – физиологи, офтальмологи и фотохимики – сейчас занимаемся тем, что пытаемся этот метод усовершенствовать с тем, чтобы определять дегенеративное заболевание сетчатки на как можно более ранней стадии.
– Диагностика – это хорошо. Но существуют ли методы лечения этой патологии?
– Эффективного лечения дегенеративных заболеваний сетчатки, в том числе возрастной молекулярной дегенерации, которые сегодня такой же бич, как болезни Альцгеймера и Паркинсона, увы, не существует. Все усилия направлены пока на то, чтобы, по возможности, замедлить этот процесс. В худшем случае, на поздних стадиях дегенеративного заболевания в сетчатке гибнут зрительные клетки, и это – слепота. Но при этом нервные клетки, как правило, сохраняются неповреждёнными. И мы, и ещё несколько лабораторий в мире пытаемся сделать эти клетки светочувствительными, чтобы они при действии света возбуждались и посылали информацию в мозг. В таком случае зрение хотя бы частично было бы восстановлено. Мы сейчас создали команду, в которую входят академик М.П. Кирпичников, профессор Д.А. Долгих и их сотрудники из Института биоорганической химии имени Шемякина и Овчинникова и Московского Университета, член-корреспондент П.М. Балабан и профессор А.Ю. Малышев и их сотрудники из Института высшей нервной деятельности, и нейрофизиологии. Эта наша команда активно ведёт работы в этом направлении.
– Расскажите поподробнее, в чем состоит суть такого метода лечения.
– Сам идея, как я только что сказал, проста. Но осуществить её сложно. Собственно говоря, за зрение отвечает сетчатка. Как говорил великий испанский гистолог Рамон-и-Кахал, сетчатка – это часть мозга, помещенная в глаз. Состоит она из нескольких слоёв клеток. Один слой – это светочувствительна зрительные клетки – палочки и колбочки, а дальше идут слои нервных клеток. Сетчатку можно уподобить биокомпьютеру, в котором происходит сложнейшая обработка информации. Затем эта информация по примерно одному миллиону двумстам тысячам волокон зрительного нерва передаётся в мозг.
Так вот, с помощью методов современной генной инженерии можно «вставить» ген светочувствительного белка родопсина в сохранившиеся нервные клетки и превратить их в псевдо-зрительные. То есть, они становятся светочувствительными и способны посылать по зрительному нерву информацию в мозг. Зрение, по крайней мере у мышей, восстанавливается.
– Удалось ли это подтвердить на практике?
– Вы имеете в виду в клинике, на людях? Нет, пока не удалось. В Америке несколько лет назад и совсем недавно во Франции разрешили клинические испытания. Но результатов, по крайней мере таких, о которых мы бы знали, пока нет.
– Слышала, что биологические методы могут применяться даже в технике.
– Это правда. Когда я работал в Америке, в Национальном Институте Стандартов и Технологий, знаменитом НИСТе – первом из созданных в Америке научных институтов, то там была специальная лаборатория по разработке и применению биологических методов для техники. Например, для создания фотопереключателей для молекулярной электроники. Сравнительно недавно мы совместно с профессором В.А. Надточенко из Института химической физики им. Н.Н. Семёнова предложили прообраз сверхбыстрых, фемто- и пикосекундных молекулярных фотопереключателей, основанный на принципах работы светочувствительной молекулы родопсина – ключевой молекулы зрения. Спектр применений, если дело дойдёт до практики, может быть очень широк.
– Насколько я знаю, у истоков исследования родопсина в нашей стране стоял академик Ю.А. Овчинников.
– Юрий Анатольевич Овчинников в середине семидесятых годов организовал один из первых комплексных проектов в Академии наук СССР, под названием «Родопсин». Целью было установить структуру и исследовать функции родопсинов микробиального и животного происхождения. В конце семидесятых группа Овчинникова опубликовала первую полную аминокислотную последовательность бактериального родопсина, а в самом начале восьмидесятых – животного, зрительного родопсина. Из их работ следовало, что полипептидная цепь этих молекул должна семь раз пересекать биологическую мембрану, что цепь эта будет образовывать пучок из семи альфа-спиральных тяжей. При этом шла жуткая гонка с американцами, сначала в отношении бактериального родопсина, а затем зрительного родопсина. Работы публиковались практически одновременно. Абсолютная несправедливость, что группе Овчинникова и тем двум группам американцев не дали Нобелевскую премию. Понадобилось почти 20 лет после Овчинникова, чтобы кристаллизовать и получить трехмерную структуру зрительного родопсина. Первую такую работу сделал японский аспирант, затем подключились американцы, и понеслось. Современная фармакология с ее миллиардами долларов – это более чем наполовину поиски лекарств на основе принципов структуры и работы зрительного родопсина.
– Слышала, что вы сумели разработать для офтальмологии новый препарат. Это правда?
– Да, мы нашли новый антиоксидант, который может быть лучше всем известного мексидола. Назвали его оксибиол. Патент получили. Как известно, от патента до лекарства – большой путь. Надеемся его проделать.
– Чем этот препарат лучше мексидола?
– Он более эффективен, особенно для офтальмологии. Он устойчив к действию света, ультрафиолетовый и синий свет на него никак не влияет, а на мексидол влияет. Для офтальмологии это важно. То есть это следующий шаг в данном направлении.
Но это не единственный препарат для офтальмологии, который мы предложили. Мы с доктором наук К.О. Мурановым предложили новый антикатарактальный препарат. Он имитирует функцию альфа-кристаллина в хрусталике глаза, помогает предотвратить агрегацию в хрусталике гамма- и бета-кристалинов. Кристаллины – это белки, из которых, собственно говоря, и состоит хрусталик глаза. Его помутнение, то есть катаракта, возникает в результате агрегации гамма- и бета-кристалина, а способность альфа-кристаллина предотвращать их агрегацию, например, с возрастом или при действии ультрафиолета, падает. Вот мы совместно Институтом глазных болезней, что в Москве, на улице Россолимо, и с Институтом экспериментальной физики в Нижнем Новгороде, с которым вели совместные эксперименты на их лазерных установках, и предложили препарат, который, подобно альфа-кристаллину, задерживает развитие катаракты. Испытали на животных. Назвали его «новый шаперон». Опять же, получили патент.
– А где же лекарство?
– Его пока нет. Не хватает сил и времени, чтобы самим довести его до аптеки. Все соглашаются, говорят – «Отличная идея!» – но дальше разговоров дело не идёт. Нет механизма для внедрения, нет для такого внедрения специальных людей, нет заинтересованности у наших фармакологических фирм. Результаты есть – востребованности в них нет!
– Как вы думаете, несмотря на все эти сложности, фундаментальные исследования механизмов работы глаза, мозга буду развиваться?
– Безусловно! Мир идёт по этому пути, и движется стремительно. Появляются новые методы, принципиально новые подходы, а они рождают новые научные направления. Вот, например, оптогенетика – метод, с помощью которого мы пытаемся вернуть зрение слепым людям. Это одно из направлений, которое сейчас крайне востребовано и благодаря которому в понимании работы мозга и причин его патологий достигнуты большие успехи. Недавно на заседании президиума Академии наук, которое специально было посвящено развитию нейронаук, я слушал доклад министра здравоохранения Вероники Игоревны Скворцовой. В том докладе о нейронауках и медицине она первые слайды посвятила как раз оптогенетике. Она говорила, что это метод перспективен и нужен не только для восстановления зрения, но и для лечения шизофрении, болезни Паркинсона, эпилепсии. То есть это метод, который мог бы быть полезен во многих аспектах, но его самое ближайшее применение – это офтальмология. Верю, что так и будет.
Академик Михаил Островский, президент Физиологического общества им. И.П. Павлова
