Впервые в истории медицины молодая компания RetroSense Therapeutics, основанная в 2009 году в городе Энн–Арбор (штат Мичиган), планирует использовать оптогенетический подход для возвращения зрения больным, страдающим пигментным ретинитом. Данное заболевание, как форма дистрофии сетчатки, вызвана аномалиями фоторецепторов (палочек и колбочек), приводящими к никталопии (ночная слепота), к утрате не только периферического, но и центрального зрения.

Оптогенетика — новая область нейробиологии, изучающая работу нервных клеток путем внедрения в их структуру светочувствительных компонентов, которые могут, в ответ на освещение световым пучком с определенной длиной волны, изменять свойства клетки носителя: активировать или ингибировать нейроны.

Успешно проведя опыты на мышах и обезьянах, RetroSense Therapeutics переходит к эксперименту на людях. В данном исследовании примут участие 15 пациентов с пигментным ретинитом, не полностью утратившие зрение. По мнению генерального директора RetroSense Therapeutics Шона Эйнсворта, оптогенетика поможет улучшить качество жизни больных, позволит «увидеть столы и стулья» или даже читать буквы.

Вирус, содержащий светочувствительный ген, введут пациентам в ганглионарный слой внутренней оболочки глаза, отвечающий за передачу сигналов от фоторецепторов сетчатки к головному мозгу. Поскольку палочковый и колбочковый аппараты больных пигментным ретинитом повреждены, светочувствительную функцию должны взять на себя ганглионарные клетки. Насколько сильно изменится периферическое и центральное зрение пациентов, ученые пока не могут сказать, однако предполагают, что оно будет монохромным.

Завершится ли данный эксперимент успехом, ещё предстоит узнать, но определенно точно можно заявить, что на данный момент оптогенетика является наиболее тонким и перспективным инструментом в нейробиологии и медицине.

29 Февраля 2016 Источник: hi-news.ru

В сказке Ханса Кристиана Андерсена «Снежная королева», чтобы обрести подлинную свободу, надо было сложить из льдинок слово «вечность». Сейчас ученые думают достичь этой же цели, превратив уже самого человека в кусок льда как воплощение самого бессмертия...

Разработка и совершенствование технологий погружения человека в анабиоз обещают воплотить в жизнь сказочные сюжеты. Рисунок с сайта econet.ru.

Отголоски эры «первичного бульона»

Почему обезвоживание организма сопряжено с торможением «биохимической машины»? Чтобы ответить на этот вопрос надо ясно представлять, какую роль играют молекулы воды в организации «кирпичика» всего живого — отдельно взятой клетки.

Во-первых, вода — это уникальная среда для самоорганизации молекул органических веществ в надмолекулярные структуры типа фосфолипидного каркаса биомембран или третичной структуры белков. Во-вторых, вода — это универсальный растворитель, в котором при диссоциации солей образуются необходимые для генерации биопотенциалов ионы. «Правильно» собранные биомолекулы вместе с определенным количеством электролитов и обеспечивают ту пространственно-временную упорядоченность метаболизма, которая лежит в основе феномена жизни [1]. Всё просто, не правда ли?.. Слишком просто.

На самом деле о свойствах воды и ее роли в жизненных процессах написано много. Однако сейчас нас интересуют исключительно факт изъятия молекул воды и их загадочная роль в обеспечении обратимости анабиоза. Хотя... не такая уж это и загадка.

Представьте себе наваристый бульон для приготовления студня. Выражаясь научно, перед нами — желатиновая эмульсия на водной основе. Если бульон охладить, то он превратится в студень — гель, сильно отличающийся от своего жидкого состояния — золя. Считается, что жизнь зародилась в «первичном бульоне», капельки которого и стали собственно клетками.

Содержимое клеток периодически то сгущается, то разжижается, т.е. находится в состоянии обратимого фазового перехода «золь ↔ гель», равновесная точка в котором весьма неустойчива. Однако при обезвоживании равновесие смещается в одну сторону: «золь → гель → аморфное состояние коллоида → денатурация коллоида». Исходя из этой схемы, предполагается, что при анабиозе коллоидное содержимое клеток обезвоживается только до обратимого аморфного состояния, не достигая необратимой (а значит — по-настоящему смертельной) денатурации [2].

Живые мумии

Насколько следует «подсушить» организм, чтобы он погрузился в анабиоз, а не погиб от обезвоживания?

Наблюдения показали, что это возможно, если в организме остается не менее 10% воды, которой, однако, не хватает даже на однослойное покрытие молекул белков [3]. Это нередкое в природе явление высыхания до полусмерти, называют ксероанабиозом. В нём пребывают споры бактерий и грибов, мхи и лишайники, а также некоторые группы беспозвоночных (рис. 1) [4].

Рисунок 1. В царстве растений ксероанабиоз характерен для низших растений — мхов и лишайников. Селагинелла или «воскресающий мох» пример тому. Однако и среди высших растений крайне редко, но встречается это удивительная способность к полному высыханию и «воскрешению» во влажной среде (например, рамонда сербская, она же — «феникс»). а — Селагине́лла чешуели́стная (Selaginēlla lepidophylla). б — Рамо́нда сербская (Ramonda serbica). Рисунки из «Википедии».

Объясняется это той ролью, которую играет ксероанабиоз: экстренная мера выживания в экстремальных условиях (рис. 2). В некоторых случаях эта мера оказалась настолько полезной (например, при образовании пыльцы у высших растений или цист у ракообразных), что эволюционно закрепилась как обязательный этап онтогенеза.

Рисунок 2. Личинки африканского комара-звонца Polypedilum vanderplanki в рамках российско-японского эксперимента «Космический комар» побывали в космосе. Оказывается, эти относительно крупные организмы, способны выдержать практически полное высушивание. В состоянии ксероанабиоза они могут выжить в экстремальных условиях среды, что и было проверено в 2014 году на борту МКС. Рисунок из [5].

Способность обратимо утрачивать без вреда для здоровья часть «телесной» воды свойственна всему живому. Однако способность к предельному обезвоживанию, как и длительность угнетения метаболизма, ослабевают по мере структурно-функционального усложнения организма (табл. 1) [2].

Таблица 1. Предельная степень обратимого обезвоживания разных организмов

А как же грамотно «подсушить» организм?

Очевидно, следует испарить часть «телесной» воды, допустим нагреванием... Стоп! Но ведь значительное повышение температуры тела — гибельно, т.к. уже при 50 °С произойдет необратимое разрушение белковых молекул! Тем не менее, ещё в XIX веке это сделать удалось. И не раз!

Речь идёт об упоминавшемся ранее споре «Дуайер vs. Пуше» перед комиссией Парижского биологического общества. Тогда успех опытов Л. Дуайера заключался «в постепенности и в совершенстве высушивания животных. В этих целях мох, содержащий коловраток и тихоходок, выдерживался в течение 7 дней под колоколом воздушного насоса над серной кислотой и уже только затем помещался в водяную баню, где постепенно нагревался до 100 °С». Чтобы не «проскочить» стадию аморфного состояния, натуралист очень «мягко» нагревал объект в условиях разреженной атмосферы, и поэтому вода медленно испарялась при температуре меньшей, чем 100 °С, а водяной пар сразу поглощался серной кислотой [2].

Сегодня наиболее эффективным признано вакуумное высушивание организма. Его успех зависит от постепенности и равномерности процесса испарения воды, что, в свою очередь, зависит от объема биообъекта: чем организм меньше, тем удачнее он будет высушен. Этим объясняется успех полного высушивания пока что только микроскопических животных (табл. 1).

Следуя такой логике, обезвоживание небольших фрагментов организма представлялось весьма перспективным, что и было доказано Н.П. Кравковым ещё в 1922 году, в экспериментах с... кроличьими ушами. И поверьте, в опытах Николая Павловича, уши кролика — это далеко не «гвоздь программы» (рис. 3).

И все-таки, несмотря на феноменальную устойчивость некоторых существ к полному высушиванию, для среднестатистической клетки обезвоживание — это стресс! Точнее — гиперосмотический стресс, который развивается по следующему сценарию.

Сначала происходит обезвоживание околоклеточного пространства с закономерным возрастанием концентрации растворенных веществ, т.е. образуется гиперосмотическая среда. Она вытягивает воду из клетки, тем самым обезвоживая её. Клетка теряет объем, а ее плазматическая мембрана — сморщивается. Одновременно возрастает внутриклеточная концентрация электролитов, которые, разрушая ионные связи, снижают стабильность белковых молекул.

Эволюция микроорганизмов противопоставила процессу обезвоживания процесс накопления ксеропротекторов — соединений, защищающих микробные клетки от гиперосмотического стресса (табл. 2). Эти вещества стабилизируют белковые глобулы и биомембраны, замещая в них молекулы воды, и, облегчая тем самым, переход коллоидов в аморфное состояние [6, 7].

В чертогах Снежной королевы

Обезвоженные клетки становятся чрезвычайно устойчивыми к действию экстремальных условий внешней среды, и в первую очередь — низких температур (рис. 4).

Рисунок 4. Сперматозоиды (а) в соответствии со своей специфической биологической ролью приспособлены к выживанию в очень жестких условиях среды. Они практически лишены жидкой части цитоплазмы и поэтому выдерживают полное замораживание без потери оплодотворяющей способности. Чтобы нас не обвинили в сексизме, заметим, что это под силу также яйцеклеткам ракообразных, рыб и амфибий (б). Рисунок из «Википедии».

Доказательств много, но мы приведем одно: недавно ученым из ПНЦ РАН (г. Пущино) удалось успешно возродить из плацентарной ткани плодов смолёвки узколистой (Silene stenophylla) целое растение. Казалось бы, что тут такого? Однако сухие плоды-коробочки пролежали в вечной мерзлоте около 30 тысяч лет [9]!

Конечно здесь речь идет скорее о гипобиозе, т.к. при температуре −7 °С полного промерзания тканей произойти не могло [1]. Но всё же это исследование подтверждает возможность чрезвычайно длительного низкотемпературного хранения обезвоженных клеток.

А что если организм заморозить без предварительного высушивания?

Теоретически, при температурах ниже −80 °С броуновское движение молекул воды в тканях прекращается, и организм должен погрузиться в состояние т.н. «криоанабиоза» [10, 11]. Понятно, что в природных условиях такое невозможно, и поэтому криоанабиоз — состояние неестественное, возможное только в условиях лаборатории.

Первое систематическое исследование криоанабиоза провел профессор Софийского университета Порфирий Иванович Бахметьев. Серия его опытов по охлаждению разной мелкой живности до сверхнизких температур (−90 ... −160 °С) позволила заключить: оживление полностью замороженного организма возможно только при сохранении в жидком переохлажденном состоянии содержащейся в нем воды [12]. Если же в клетках образовались кристаллики льда, то напрасно ждать после оттаивания организма его «воскрешения».

Также П.И. Бахметьев обнаружил, что шанс выжить после криоанабиоза уменьшается по мере структурно-функционального усложнения испытуемого животного. Получается, что особенности ксеро- и криоанабиоза весьма схожи и могут быть выражены тезисом: чем выше стоит организм на эволюционной лестнице, тем сложнее его высушить и/или заморозить, не убив при этом.

Успех криоанабиоза также зависит от объема биообъекта. Если организм не микроскопических размеров, то даже при очень низкой температуре он промерзает не мгновенно, а постепенно, проходя через состояние окоченения. В этом состоянии, когда мягкие ткани организма словно одеревенели (вспомним лесную лягушку из первой части), в его глубинах все же продолжает теплится скрытая жизнь, т.е. наблюдается низкотемпературный гипобиоз. Полное же промерзание организма обычно приводит к гибели из-за разрушительного действия образующегося в клетках льда. Именно поэтому до опытов с замораживанием человека дело де дошло, а вот его намеренное погружение в низкотемпературный гипобиоз было осуществлено аж в 1940 году!

Тогда американские ученые Тэмпл Фэй и Лоуренс Смит предприняли попытку лечения последней стадии рака путем переохлаждения организма. Им неоднократно удалось погрузить пациента, температура тела которого снижалась до 28–30 °С, в искусственную спячку на 5–8 дней. Общая же длительность гибернации составила 40 дней [13]! К сожалению, существенных результатов в лечении Фэй и Смит не добились, но представления о возможностях человеческого тела однозначно расширили.

А возможности человека — потрясают. Судите сами по следующим историям удивительных (если не сказать — чудесных) случаев «воскрешения» человека после чрезвычайно длительного (!) периода клинической смерти, наступившей в результате переохлаждения (рис. 5). Приготовились?

Рисунок 5. Гости Ледяной Девы... Выжили! Слева направо: Эрика Нордби, Анна Багенхольм и Мицутаки Ючикоси. Рисунки с сайтов www.thestar.com, yle.fi и www.taringa.net.

Случай первый. В 1999 году 29-летняя австрийская студентка Анна Багенхольм, катаясь на лыжах, провалилась под лед. В ледяной воде она пробыла 80 минут. Половину этого времени Анна дышала благодаря воздушному пузырю подо льдом. Когда тело горе-лыжницы вытащили на поверхность, она была клинически мертва: зрачки расширены, дыхание и сердцебиение — отсутствуют, температура тела: 13,7 °С. Окоченевший труп...

Анна ожила через девять часов после, как оказалось, клинической смерти! Еще через 26 дней, оставаясь полностью парализованной, она пришла в сознание. Постепенно здоровье Анны полностью восстановилось [14].

Случай второй. В 2001 году 13-месячная Эрика Нордби пробыла голышом почти два часа на 24-градусном морозе. Когда девочку нашли, она была в состоянии клинической смерти с температурой тела: 16 °С. Эрика была успешно реанимирована, избежав ампутации обмороженных конечностей [15].

В обоих описанных случаях медицинская помощь была оказана относительно быстро, чего не скажешь о третьем случае, произошедшем в 2006 году, когда к 35-летнему японцу Мицутаки Ючикоси помощь подоспела только на 25-е сутки! Все это время он с переломами тазовых костей пролежал на горе Рокко.

Правда, когда Мицутаки нашли, у него прощупывался пульс, а температура тела составляла 22 °С. Поэтому здесь, вероятно, было состояние не гипобиоза, а, как в опытах Фэя и Смита, — гибернации [16].

Все три случая — это пример случайного совпадения факторов, используемых в современной медицине (например, при краниоцеребральной гипотермии) для погружения человека в состояние искусственного гипобиоза, когда полного промерзания организма не происходит. Эти случаи — пример низкотемпературного гипобиоза, но никак не криоанабиоза человека!

Так возможно ли обратимо полностью заморозить человека?

Рецепт полной заморозки

Единственным способом погружения организма в криоанабиоз является т.н. «шоковая заморозка», когда охлаждение происходит так быстро, что вода мгновенно переходит в аморфное состояние, не успев кристаллизоваться [17]. Размораживание тоже должно быть быстрым, во избежание рекристаллизации воды.

Пока что этот трюк удаётся осуществить только с отдельными клетками: культура распыляется в среде с температурой жидкого азота (−196 °С), где благодаря своему микрообъему, клетки мгновенно промерзают [18]. Доказано, что практически все виды микроорганизмов могут благополучно пережить «шоковую» заморозку.

А вот перспектива удачного замораживания многоклеточного организма пока туманна, т.к. связана с решением сложной проблемы: снижение скорости охлаждения воды с её последующим переходом в аморфное, а не кристаллическое, состояние [19, 20]. Определенная надежда здесь возлагается на криопротекторы — вещества, придающие организму устойчивость к замерзанию. Некоторые из криопротекторов являются одновременно ксеропротекторами, что лишний раз доказывает сходство механизмов ксеро- и криоанабиоза (рис. 6).

Рисунок 6. Добавление трегалозы (а) или глицерина (б) в питательную среду делает микробов устойчивыми к замерзанию. Эти криопротекторы обнаружены в гемолимфе морозоустойчивых насекомых, а по жилам полярных рыб течет «глицериновый антифриз» [21–24]. Рисунки из «Википедии».

В самом деле, во всех случаях анабиоза обнаруживается один механизм: жидкая вода меняет свое агрегатное состояние, либо испаряясь (ксероанабиоз), либо замерзая (криоанабиоз). Поэтому идеальным вариантом погружения в анабиоз является сочетание вакуумного обезвоживания с замораживанием и хранением биообъекта при сверхнизких температурах. В этом состоянии организм максимально устойчив ко многим экстремальным факторам внешней среды.

Самые устойчивые к разнообразным экстремальным факторам внешней среды — эндоспоры бактерий [25]. Так, в 1995 году микробиологи Калифорнийского политехнического университета сообщили об оживлении спор бактерий Вacillus sphaericus, извлеченных из кишечника пчелы, «законсервированной» в куске янтаря 25–40 млн. лет назад (рис. 7)! А уже в 2000 году появилось сообщение о том, что сотрудники Уэст-Честерского университета (Пенсильвания, США) воскресили споры неизвестной бактерии, ждавшей своего часа в кристалле соли около 250 млн. лет [26]. Часть научного сообщества, естественно, попросту не поверила в достоверность этих сведений, посчитав, что сочетание фоновой радиации с отсутствием репарации ДНК в течение столь длительного времени обязательно должно было привести к возникновению летальной мутации.

На втором месте по устойчивости к экстремальным факторам находятся более высокоорганизованные, чем бактерии, организмы — тихоходки (рис. 8). Они способны находиться в анабиозе более ста лет, выдерживая при этом 100-градусный жар и радиацию, в 1000 раз превышающую летальную для человека дозу. Тихоходки могут выдержать даже кратковременное пребывание в открытом космосе [27–29]! Кстати, последнее обстоятельство подбадривает современных сторонников гипотезы панспермии [30].

Рисунок 7. Доисторическая пчела, «законсервированная» в капле янтаря. Рисунок с сайта altaj-inaki.com.

Рисунок 8. Тихоходка или «водяной медведь» — собственной персоной. Рисунок из «Википедии».

Отсрочка костлявой

Представления о ксеро- и криоанабиозе уже давно осознанно используются в биомедицине. Например, при помощи лиофилизации (высушивания замороженного биообъекта) консервируют микробные клетки и споры, а также тромбоциты человека. А криобанками с их весьма необычными «вкладами»: коллекциями микробных культур, линиями клеток, семян, гамет, эмбрионов и тканей для трансплантации — уже никого не удивить [18, 1, 31]. Это реалии сегодняшнего дня.

Каковы же перспективы применения знаний об анабиозе? И надо ли нам это?

Конечно надо! И вот почему.

Освоение технологии погружения человека в анабиоз позволит глубже понять сущность жизненных процессов. Анабиоз как факт обратимой остановки этих процессов на молекулярном уровне предстанет реальным доказательством отсутствия четкой границы между понятиями «жизнь» и «смерть». Мы уже стоим на пороге создания биомедицинских технологий, которые недавно казались фантастикой...

«Мы приостанавливаем жизнь, но мы не называем это анабиозом, потому что это звучит как научная фантастика <...> мы называем это аварийным сохранением и реанимацией», — говорит Самуил Тишерман — ведущий хирург начинающегося в госпитале Пресвитерианцев (Питтсбург, США) эксперимента, во время которого пациент будет подключен к аппарату искусственного кровообращения, после чего его кровь будет замещена специальной охлажденной жидкостью.

Только зачем всё это?

Позволим ответить на этот вопрос другому участнику эксперимента — хирургу Питеру Ри: «Если пациент поступит к нам через два часа после смерти, мы не сможем вернуть его к жизни. Но если он умирает, и мы приостанавливаем его жизненные процессы, появляется шанс запустить их после того, как будут исправлены структурные проблемы» (рис. 9).

Рисунок 9. От эксперимента, который задумал тандем высококлассных хирургов Тишерман-Ри, буквально стынет кровь в жилах, и это — не метафора. Слева: Самуил Тишерман, справа: Питер Ри. Фото из «Википедии».

Конечно, эта технология погружения по сути в состояние низкотемпературного гипобиоза уже давно успешно апробирована на подопытных... свиньях. В 2000 году Питер Ри просто «замораживал» животных. Через шесть лет он уже «замораживал» и потом оперировал смертельно раненных хавроний, добившись 90%-выживаемости [32].

Первое испытание «аварийного сохранения и реанимации» планируется провести на 10-ти раненных людях с констатированной остановкой сердца. Температура тела пострадавших будет снижена на пару часов до 10 °С. Этого времени хирургам должно хватить на устранение смертельных ран. Группой сравнения будут ретроспективно оцененные десять печальных случаев аналогичных ранений с безуспешными попытками традиционной реанимации.

Умирать не обязательно!

Механизм анабиоза эволюционно сформировался и обрел биологический смысл «аварийного выхода» в ситуациях, когда жизнь стояла на пороге своего необратимого исчезновения — смерти. Известный исследователь этого явления — Пётр Юльевич Шмидт, выразил эту мысль глубже и изящнее: «Жизнь для своего сохранения создает отсутствие жизни, как бы временную смерть!»

Понятно, что экстремальные факторы внешней среды способны уничтожить всякий организм. Но разве условия внешнего мира — это единственная причина смерти? Разве человек, создав идеальную среду своего обитания, избегнет смерти? Нет, конечно. Есть внутренний процесс, присущий самой жизни, который толкает ее к исчезновению. Это процесс старения, который мы можем замедлить, но не остановить.

Старение — это и есть та ситуация, когда жизнь подходит к порогу своего окончательного исчезновения. Так разве не логично воспользоваться «аварийным выходом» и временно «умереть», погрузившись в анабиоз? Конечно, это не остановит старение, но растянет жизнь на века! Возможно даже такая временная «смерть» поможет дожить до тех славных времен (а может и до Апокалипсиса — это как повезет), когда старение будет побеждено, и все люди будут молодыми и счастливыми. Тогда человек будет похож на графа Дракулу, периодически восстающего из гроба... тьфу — из анабиоза, дабы вкусить плоды прогресса текущего века и вновь уйти во временное небытие...

Учитывая два обстоятельства: 1) чем больше в ткани воды, тем лучше она переживет обезвоживание и 2) развитие индивидуума сопровождается постепенным обезвоживанием его тканей, — можно придти к следующему выводу: удачное по последствиям погружение в анабиоз вероятнее на ранних этапах индивидуального развития, проще говоря — задолго до наступления старости. Иначе следует искать способы замедления «онтогенетического» обезвоживания, выражающегося в уплотнении и сморщивании стареющих тканей.

И наконец последний вопрос. Допустим, мы научились погружать человека в настоящий анабиоз. Как это отразится на его личности? Насколько велика вероятность ее частичной или полной утраты?

Учитывая, что субстрат психики человека — ткани головного мозга содержат большое количество воды, а значит должны хорошо переживать обезвоживание, — можно надеяться на успешное сохранение личности пребывающего в анабиозе человека.

Когда-нибудь технология погружения человека в анабиоз будет разработана. Его жизнь будет удлинена, а смерть отсрочена. Как воспользуются люди этой возможностью — трудно сказать. Остается лишь надеяться, что ко времени создания такой технологии Человек не забудет свою мечту полететь на край Вселенной — к далеким звездам!

Анабиоз и долголетие, черви и гены

Жить много сотен лет, периодически «восставая из небытия» и проводя при этом значительную часть времени в анабиозе, не очень интересно. Было бы здорово обойтись без длительных периодов бездействия, живя одновременно и долго, и активно. Тут так же, как со сном: если бы нам не надо было спать, сколько бы всякого полезного мы сделали! Чего бы достигли! Но, увы, сон пока отменить не получится.

Во сне хотя бы можно развлечь себя просмотром сновидений, а в анабиозе так сделать не удастся. Но есть ли теоретическая возможность избежать долгих эпизодов анабиотического «простоя» и вместе с ним прожить 100 и более лет?

Не будем недооценивать братьев наших меньших (во всех смыслах) и обратимся к помощи известных модельных организмов — круглых червей Caenorhabditis elegans. Как и многие другие беспозвоночные, эти миллиметровые нематоды несколько раз за жизнь меняют свой облик, проще говоря — линяют. В норме у C. elegans четыре личиночные стадии (L1–L4) и стадия взрослой особи.

Если из малька всегда получается рыба, а из головастика — лягушка, то развитие Caenorhabditis elegans может иметь одно интересное ответвление. Если (прямо по Дарвину!) сородичей вокруг слишком много, а еды слишком мало, эта нематода на стадии L1 или L2 сворачивает с привычного пути «линька → линька → линька → половозрелая особь» и впадает в состояние с очень низкой скоростью метаболизма, без половых органов и без видимого увеличения в размерах. Состояние это называется dauer (от немецкого «прочный, продолжительный»; также её называют диапаузой или гипобиозом; рис. 10). То же самое происходит, если температура окружающей среды слишком низкая или слишком высокая, а также если рецепторы червя улавливают дауэр-индуцирующий феромон. Собственно, его концентрация указывает на плотность населения в популяции червей.

Рисунок 10. Круглый червь Caenorhabditis elegans. а — Половозрелый червь-гермафродит откладывает яйца. б — Стадия дауэра отличается по строению от взрослой особи и не размножается. Рисунки из [33].

Одновременно с переходом в стадию дауэра у личинки C. elegans начинает активно работать ген daf-2, кодирующий инсулиновый рецептор у нематод и играющий роль в метаболическом пути инсулиноподобного фактора роста IGF-1 (insulin-like growth factor 1) [34]. (Кстати, этот метаболический путь устроен примерно одинаково и у круглых червей, и у рыб с лягушками, и у нас.) Результат реакций метаболического пути IGF-1 — угнетение активности гена daf-16. А меж тем, daf-16 регулирует работу целой сотни генов, ответственных за производство белков теплового шока (молекул, помогающих клетке выстоять против повышенной температуры окружающей среды и вообще повышающих устойчивость к стрессорам) и антиоксидантов [35]. Исследования соответствующих генных мутантов показали, что и daf-2, и daf-16 необходимы для наступления стадии дауэра, но действуют эти гены противоположным образом.

Из дауэра червь может превратиться в половозрелую особь, если на него подействует достаточное количество стероидных гормонов, объединяемых общим названием дафахронные кислоты (dafachronic acids; рис. 11). Эти кислоты, похожие по структуре на компоненты жёлчи, активируют ген daf-12, служащий фактором транскрипции генов нескольких рецепторов. В числе последних — рецептор к витамину D, а также Liver-X и Farnesoid-X (они регулируют обмен холестерина и жирных кислот). Дафахронных кислот становится много при наличии достаточного количества инсулина и TGF-β (трансформирующего ростового фактора бета, который ограничивает размножение клеток и не контролирует раковые клетки). После достижения половозрелости черви живут недолго.

Рисунок 11. Схема взаимодействий пути IGF-1 с некоторыми сигнальными молекулами при различных условиях среды. Рисунок с сайта www.age.mpg.de.

В состоянии дауэра нематоды могут существовать до четырёх месяцев. По сравнению с тремя неделями их жизни после превращения в половозрелую особь это очень много. Но, конечно, для науки было бы гораздо интереснее, если бы C. elegans сохраняли способность жить долго без отказа от размножения и без ухода в стадию дауэра. Оказалось, что это возможно, только для этого надо быть мутантом. Активные и способные к размножению нематоды с мутацией в гене daf-2 живут в два раза дольше, чем «нормальные» особи, не проходившие стадию дауэра [36]. Кстати, мутации daf-2 не приводят к развитию опухолей (как это иногда бывает в случае излишне активной работы вероятных «генов долгожительства»), а, наоборот, подавляют их развитие [37].

Роль daf-2 в регуляции продолжительности жизни нематод открыли ещё в начале 1990-х, после чего уточнили многие биохимические каскады, благодаря которым можно повысить длительность жизни и обеспечить повышенную устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды (рис. 12). Кстати, большинство судьбоносных сигналов, «приказывающих» червю жить дольше, приходит из нервной системы, а не, скажем, от тканей мышц и не от кишечника [38]. Получается, в конечном счёте именно мозг управляет долголетием нематод...

Рисунок 12. Метаболические пути, влияние на которые обеспечивает высокую продолжительность жизни червям вида Caenorhabditis elegans. Стрелки — активация, горизонтальные чёрточки на конце «стрелок» — подавление. Рисунок из [33].

Казалось бы, при чём тут долголетие человека? Дело в том, что, во-первых, все перечисленные гены нематоды имеют свои ортологи (соответствия) в ДНК нашего вида, а во-вторых, метаболический путь инсулиноподобного фактора роста 1 у C. elegans активируется и подавляется теми же веществами, что и у человека. Впрочем, не стоит списывать со счетов тот факт, что у человека нет личиночных стадий и тем более нет дауэра. Поэтому возможность влияния на человеческие аналоги биохимических каскадов, обеспечивающих долгожительство круглых червей, ещё предстоит всесторонне рассмотреть.

19 февраля, 2016 г. Источник: biomolecula.ru

Мы привыкли к мысли, что жизнь — это процесс, который прерывается раз и навсегда. Однако буквально на наших глазах границы обыденных явлений стремительно расширяются. Научно-технический прогресс соревнуется с нашим воображением. И конечно возникает вопрос: неужели жизнь — это обязательно непрерывный процесс?

Гипобиоз — состояние, в котором, вероятно, находилась героиня сказки «Спящая Красавица». Иллюстрация: картина Джона Кольера «Спящая красавица».

Главный вопрос

Идея жить вечно трансформировалась в затею жить очень-очень долго. И не просто долго, а пребывая в расцвете своих сил и возможностей. Поэтому вопрос «вечной жизни» не исчез, а лишь стал звучать наукообразнее: можно ли замедлить старение или вообще остановить его?!

Можно.

Этот обнадеживающий ответ, опираясь на серьезный научный фундамент, обещает радужные (чтобы не сказать — фантастические) перспективы.

Микровоскрешение

Проблема долгой и полноценной жизни стара как мир. История поисков ее преодоления теряется во тьме веков. Однако у научного подхода к решению этой проблемы есть свой «день рождения».

Формально все началось 1 сентября 1701 г., когда знаменитый голландский микроскопист Антони ван Левенгук положил в стеклянную трубку с водой немного влажного песка, взятого из свинцового желоба с крыши своего дома в Делфте и начал рассматривать его в самодельный микроскоп. Чуть позже он напишет о результатах своих наблюдений в Лондонское королевское общество. Письмо, озаглавленное «О некоторых Animalcules (дословно — зверьках), найденных в осадках сточных желобов крыш домов» содержит описание высыхания и «оживания» в воде странного вида микроскопических животных (рис. 1).

В этом письме Левенгук делится предположением, которое было очень смелым для просвещенной Европы начала XVIII века: «Если эти Animalcules после пребывания в сухом состоянии столь длительное время способны в воде вновь расправляться и двигаться обычным образом, то можно заключить, что во многих местах, где летом вода застаивается и затем высыхает, может быть много видов Animalcules, которые исходно там не обитали, а были занесены туда (из других мест) на лапах и перьях водоплавающих птиц...» [2, 3].

Современники Левенгука, естественно, благополучно предали забвению его открытие. На первый взгляд этому способствовало вполне объективное обстоятельство: Левенгук пользовался исключительно сильными для своего времени самодельными микроскопами, поэтому его наблюдения были единичными, и как сказали бы сейчас — невоспроизводимыми. Однако это обстоятельство лишь кажется объективным, так как ничто не мешало ученым приехать в Делфт и самолично убедиться в справедливости сообщений голландского натуралиста. Тем более прецедент уже был в 1676 году, когда в достоверности сведений Левенгука относительно существования его «animalcules», мягко говоря, усомнились.

Еще бы! Представьте письмо, пришедшее от натуралиста-любителя в высоколобое и чопорное Королевское общество, которое содержало, например, такое высказывание: «В полости моего рта их (т.е. аnimalcules) было, наверное, больше, чем людей в Соединённом Королевстве».

Британцы пальцем у виска может и повертели, но, к их чести, все же решили проверить достоверность сведений из Делфта, отправив комиссию во главе с Неемией Грю — авторитетным микроскопистом того времени. Ученые мужи заглянули в микроскоп Левенгука и убедились в подлинности его наблюдений (что, между прочим, поспособствовало принятию Левенгука в 1680 году в действительные члены Общества). А вот информацию об «оживании» высушенных коловраток проверять почему-то не стали, и комиссию не прислали [4].

На самом деле, уважаемый читатель уже понял, что произошло, и это обычная, естественная (и в чем-то даже необходимая) реакция: люди не готовы сразу принять даже очевидные факты, которые идут вразрез с их мировоззрением. Мысль о том, что высушенные «зверьки» по-настоящему умирают, а потом вновь оживают, если их смочить обычной (даже не святой!) водой — не укладывалась в головах современников Левенгука. Речь шла не просто об «оживающих» в воде высушенных коловратках, а о посягательстве на господство в головах ученых XVIII века гипотезы самозарождения жизни!

Хотя сам Левенгук и говорил, что жизнь не прекращается совершенно и наступает лишь видимость смерти, но своими наблюдениями за «animalcules», которые «вовсе не являются продуктом гниения, как думают некоторые», все же пошатнул вековую уверенность в самозарождении жизни.

Рисунок 1. Левенгук делал лучшие для своего времени линзы и мастерски зарисовывал, а также описывал увиденных через них «зверьков»: «Маленькое насекомое, лежавшее 21 месяц сухим, положенное в воду и начавшее плавать, прикрепляться своим задним концом (V) и выдвигать свои колеса (WX)» (а). Предположительно, речь шла о ныне известных каждому натуралисту коловратках рода Philodina (б). Рисунки из [1] и с сайта aquaplantfish.ru.

Павийский Лазарь

Следующий эпизод нашего экскурса относится уже к концу XVIII века, когда профессор Павийского университета Ладзаро Спалланцани, поставив серию остроумных и технически безупречных экспериментов, сказал: «Я всегда видел, что за смертью коловраток следует их воскрешение».

Опыт заключался в многократном умерщвлении высушиванием и последующем оживлении водой одного и того же образца с коловратками. Итальянский священник воочию убедился, как «зверьки» Левенгука одиннадцать раз (!) воскресали, после чего признал, что высушивание лишает организм жизни, а увлажнение — его оживляет (рис. 2).

Рисунок 2. Трудно сказать, глядя на статую Ладзаро Спалланцани, чьими глазами он изучает лягушку: аббата или профессора. Одно точно: в противоположность воскресшему библейскому Лазарю из Вифании, «Павийский Лазарь» сам воскрешал... правда только коловраток и тихоходок. Рисунок из «Википедии».

А ведь вторая половина эпохи Просвещения была периодом открытой и бескомпромиссной борьбы между сторонниками двух взглядов на сущность «жизни»: виталистами и механицистами. Первые отождествляли жизнь с особой силой, оживляющей и приводящей в движение косную материю, тогда как вторые считали её результатом специфической организации неживой материи. И вот, в описываемый период, виталисты и механицисты схватились не на жизнь, а на смерть (благо — только своих концепций) по вопросу оживания высушенных организмов.

Фундаментальность «яблока раздора» вполне соответствовала духу эпохи Просвещения. Виталисты не могли согласиться с механицистами, утверждавшими, что оживание высушенных коловраток происходит вследствие их простого смачивания. Вода водой, но где-то должна была затаиться «жизненная сила»... В 1860 году убежденный виталист Феликс Пуше сошелся перед комиссией Парижского биологического общества (под председательством знаменитого врача — Поля Брока) в интеллектуальном поединке с Л. Дуайером (рис. 3). Вердикт комиссии в пользу механицистов был сух и однозначен: «Признать вопрос об оживании коловраток <...> окончательно решенным».

Победа механицистов была отмечена введением в научный обиход термина «анабиоз» (что дословно переводится как «возвращение к жизни») «для существ безжизненных, но способных к жизни». Это сделал немецкий физиолог Вильям Прейер, изложивший свою позицию в брошюре «Об исследовании жизни» (1873) коротким как выстрел предложением: «До анабиоза жизнь является потенциальной, после него — актуальной».

Таким образом, биологическую смерть отличает от анабиоза ее абсолютно необратимый характер.

Торможение «биохимической машины»

Согласно современным представлениям жизнь — это результат пространственно-временной организации совокупности очень сложных биохимических реакций. Неотъемлемым признаком живого организма является обмен веществ с окружающей средой или, по-научному, метаболизм.

Метаболизм, естественно, протекает с определенной скоростью, которая может падать до полного исчезновения обмена веществ (рис. 4). И вот что важно для понимания явления анабиоза: остановка метаболизма может происходить при сохранении специфической структуры живого вещества. Другими словами, живой организм — это сложная «биохимическая машина», которую не обязательно ломать, чтобы остановить.

Притормозить метаболизм могут воздействия совершенно разной природы. Зной или холод, обезвоживание или наркотическое отравление — все это может снизить интенсивность метаболизма как организма в целом, так и отдельных тканей и органов. Это явление, конечно, представляет большой интерес для биомедицины. Поэтому опытным путем ведется поиск эффективных «тормозов» для «биохимической машины».

Например, группа ученых из Центра онкологических исследований им. Хатчинсона (США) решила дать лабораторным мышам подышать воздухом с незначительной примесью сероводорода (объемная концентрация Н₂S составила 0,008%). Грызуны, вдыхая это ядовитое зловоние, оцепенели на шесть часов. Дыхание их стало очень редким и поверхностным, а температура тела снизилась до 15 °С [5].

Кажется, сами ученые удивились, что животные не погибли. А вот их коллеги из Центра исследований методов реанимации им. Сафара (США) провели опыты уже на объектах покрупнее — собаках. Они решили замедлить метаболизм более радикальным, чем вдыхание протухшего воздуха, способом: животным выпускали всю кровь, заменяя ее сильно охлажденным физиологическим раствором. Собаки, естественно, умирали: их сердце не билось, они не дышали и постепенно остывали до 7 °С. Через три часа физиологический раствор заменяли кровью, проводили стандартные реанимационные мероприятия и вуаля... собаки оживали после «растянутой» клинической смерти [6].

Неужели анабиоз млекопитающих?

Нет, и вот почему. Метаболизм мышей и собак в описанных выше опытах был предельно замедлен, но не остановлен (как того требует определение статуса «анабиоз»). Состояние же сильно заторможенного метаболизма называется «гипобиоз», и оно довольно широко представлено в дикой природе как один из способов выживания в экстремальных условиях.

Гипобиоз встречается уже у древнейших одноклеточных форм жизни — бактерий, эволюция которых выпестовала т.н. «покоящиеся формы» и «цисты», как устойчивые к экстремальным условиям среды состояния замедленного обмена веществ [7, 8]. В царстве растений, с его вялотекущей вегетативной жизнью, гипобиотическое состояние осенне-весеннего покоя различных органов (например, корней и клубней) — довольно распространенное явление [9]. Эволюция животных также не смогла обойти стороной гипобиоз как вариант «дожить до лучших времен». Насекомые, земноводные и рептилии способны пребывать в этом состоянии, когда наступает т.н. диапауза, включая зимнее окоченение (рис. 5).

Рисунок 5. Зимнее окоченение лесной лягушки (Rana sylvatica) — это яркий пример гипобиоза у позвоночных. Почти половина воды ее тела замерзает, и квакушка превращается в кусок льда. Однако один нюанс оставляет ей шанс благополучно оттаять весной: замерзает только та вода, которая находится под кожей и между мышечными клетками, тогда как в жизненно важных органах, она остается жидкой [10, 11]. Рисунок из [2].

Проблема спящей красавицы

Обычный ночной сон сопряжен со снижением интенсивности метаболизма, когда жизненные процессы угнетены, и организм в относительной безопасности восстанавливает свои силы для следующего дня. Сон как способ переживания неблагоприятных условий получил своё эволюционно-логическое завершение в форме гибернации (или попросту — спячки). Это состояние замедленного метаболизма позволяет сохранить энергию в периоды зноя, мороза и/или бескормицы, сопровождаясь угнетением дыхания и снижением температуры тела. Последнее обстоятельство, как выяснилось, смертельно опасно для всех теплокровных. Почему же?

Оказалось, что исследование более четырех тысяч (!) видов низших грибов выявило: температура для оптимального роста их колоний не должна превышать 30 °С. Более 70% из них погибает при 37 °С, и лишь 5% выживают при 41 °С.

Получается, что нормальная температура тела большинства теплокровных животных препятствует развитию грибковой микрофлоры, а ее заметное снижение, наоборот, делает организм уязвимым для грибков. И это подтверждают зоологи на примере подверженного грибковым заболеваниям древнего млекопитающего — утконоса, температура тела которого из-за замедленного метаболизма составляет всего 32 °С. А у впадающих в зимнюю спячку летучих мышей температура тела падает настолько, что они становятся жертвами «болезни белого носа», возбудитель которой — грибок Geomyces destructans — отказывается размножаться при температурах выше 20 °С. Уснувший на зиму зверек покрывается плотным белым грибковым налетом, который в 95% случаев не дает ему проснуться уже никогда [12].

Так что, если бы сказка о спящей красавице стала былью, то принц вполне мог нарваться на сплошь покрытое грибками тело. Решился бы он после этого будить её поцелуем?.. Вряд ли. Поэтому сказанное о грибках следует учитывать при разработке и совершенствовании методов погружения человека в гипобиоз.

В естественных условиях нашему виду не свойственно «убегать в сон» от возникших проблем. Все что нам надо — это относительно непродолжительный сон для восстановления сил после утомительного покорения враждебных сил природы. Однако искусственно, в сугубо медицинских целях, организм человека можно погрузить в настоящую спячку — т.н. «искусственную кому». Делают это только в отделениях реанимации и интенсивной терапии посредством введения в кровь пациента анестетиков.

В состоянии искусственной комы пульс становится редким, а дыхание угнетено настолько, что приходится подключать пациента к аппарату вентиляции легких. Температура тела при этом падает до 33 °С, что делает его уязвимым для грибковых заболеваний. И это только одна, причем не самая большая, проблема. После искусственной комы необходим минимум годовой период восстановления и реабилитации, почему она и считается крайней мерой воздействия на здоровье человека. Также в клинической практике считается, что выздоровление невозможно после полугодового пребывания в состоянии комы.

На фоне сказанного удивительно, но факт: эта неестественная для человека «растительная» форма существования сама по себе оказывает лечебное действие. Так, серия клинических исследований доказала эффективность искусственной комы для лечения тяжелой формы повышенного внутричерепного давления [13]. Есть сведения о случаях излечения искусственной комой даже бешенства [14].

Жизнь по-минимуму

Замедление обмена веществ является следствием обезвоживания как отдельных тканей и органов, так и организма в целом. Споры бактерий, семена растений, куколки насекомых, яйца птиц — все это разнообразные и частично обезвоженные формы жизни. То небольшое количество воды, которое в них содержится, позволяет лишь тлеть жизненным процессам, оправдывая когда-то высказанное поэтичное словосочетание — vita minima.

Гипобиоз является замедлением хода онтогенеза в целом. Поэтому он интересен, прежде всего, как метод замедления одного из этапов онтогенеза — старения. Однако перед внутренним взором сразу предстает картина искусственной комы. Вряд ли растянутая жизнь человека-овоща лучше обычной... Другое дело: разбивка онтогенеза на последовательность эпизодов полноценной жизни и «обратимой смерти» — анабиоза. Пока что это единственный теоретически возможный путь искусственного «растягивания» продолжительности жизни и замедления старения.

18 февраля, 2016 г. Источник: biomolecula.ru