Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 2488

Зрительная клетка – это маленькая атомная бомба, помещенная в глаз

Зрительная клетка – это маленькая атомная бомба, помещенная в глаз
Академик М.А. Островский, президент Физиологического общества им. И.П. Павлова

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

 

глаза зрение институт биохимической физики им эмануэля ран микрохирургия глаза михаил островский президент физиологического общества им ип павлова сетчатка фемтосекундная лазерная спектроскопия физиология

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.