ЦИФРОВАЯ БИБЛИОТЕКА УКРАИНЫ | ELIB.ORG.UA


(мы переехали!) Ukrainian flag (little) ELIBRARY.COM.UA - Украинская библиотека №1

МИТОИНЖЕНЕРИЯ В ОФТАЛЬМОЛОГИИ

АвторДАТА ПУБЛИКАЦИИ: 03 ноября 2014
АвторОПУБЛИКОВАЛ: Администратор
АвторРУБРИКА:




Доктор химических наук Иван СЕНИН, руководитель группы офтальмологии Научно-исследовательского института митоинженерии Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова,

доктор медицинских наук Валерий ЕРИЧЕВ, заместитель директора по научной работе Научно-исследовательского института глазных болезней им. Г. Гельмгольца РАМН,

академик Владимир СКУЛАЧЕВ, директор Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ

Традиционно высокий интерес офтальмологов к проблеме глаукомы объясняется ее лидирующим положением в печальной статистике необратимой слепоты и слабовидения. В основе ее лежит повышение внутриглазного давления, что в конечном итоге ведет к гибели нервных волокон глаза и потере зрительных функций. В связи с этим важно создать фармацевтические средства для поддержания у пациента жизнедеятельности нейронов и предотвращения их гибели. И на рубеже 1960 - 1970-х годов группа отечественных ученых из МГУ и Института биофизики АН СССР (ныне РАН) сделала открытие, послужившее основой для создания нового класса фармакологических препаратов. Их применение, как мы надеемся, позволит в ближайшее время существенно сократить число случаев слепоты у больных глаукомой.
стр. 4

Глаукома - большая группа заболеваний, характеризующихся периодическим или постоянным повышением внутриглазного давления.

КАК ВОЗНИКАЕТ ПАТОЛОГИЯ?

Речь идет о большой группе заболеваний, характеризующихся периодическим или постоянным повышением внутриглазного давления. С медицинской и научной точек зрения интерес к ней вызван тем, что до сих пор не известны все причины возникновения соответствующей патологии. А социальная значимость проблемы заключается в том, что глаукома занимает лидирующее место в статистике необратимой слепоты и слабовидения. Около 100 млн. человек на планете страдают ею, и, согласно прогнозу, это количество может удвоиться до 2030 г., в результате чего рано или поздно около 30 млн. больных могут стать слепыми на один глаз и порядка 10 млн. ослепнут на оба.

Ученые предполагают: в основе развития данного заболевания - последовательная цепь факторов риска. Их действие суммируется, в итоге запускается приводящий к появлению недуга механизм. Впрочем, он пока недостаточно изучен. Бесспорно одно: основное последствие повышения внутриглазного давления - нарушение кровообращения глаза и, как следствие, сокращение притока к нему питательных веществ и кислорода. Однако различные структуры данного органа неодинаково реагируют на такие изменения. Большинство его тканей могут поддерживать жизнедеятельность без кислорода в течение нескольких минут, но недостаточная доставка последнего к входящим в их состав нейронам приводит к остановке метаболических процессов в них букваль-
стр. 5

Живая клетка (схема).

но в считанные секунды. В связи с этим неудивительно, что при глаукоме в первую очередь страдают именно они, а ведь значительная их часть входит в состав зрительного нерва (он представляет собой совокупность аксонов ганглиозных клеток* сетчатки).

У большинства пациентов быстрое прогрессирование недуга связано не просто с повышением внутриглазного давления, а и с его постоянным колебанием в течение суток. Причем даже незначительное изменение этого показателя (на 5 - 10 мм рт. ст.) способно существенно уменьшить кровоток в области зрительного нерва. Чередование ограниченного доступа кислорода (из-за ишемии) с последующим восстановлением его притока (в результате реперфузии)** к нейронам истощает их защитные свойства, приводит к необратимым деструктивным процессам.

Особая опасность глаукомы заключается в ее бессимптомном течении, усложняющем своевременную диагностику. В итоге явная клиническая картина проявляется, когда уже свыше 20% нейронов зрительного нерва погибли, а значит, полностью остановить патологию нельзя. И тогда цель лечения - как можно более длительное сохранение зрительных функций. Поэтому одновременно с постановкой диагноза требуется немедленное медикаментозное вмешательство, направленное прежде всего на нормализацию внутриглазного давления. Но поскольку применяемые для этого препараты напрямую не защищают нейроны от последствий ишемии и реперфузии, их использование необходимо, однако недостаточно для эффективного лечения болезни. Вот почему важна составная его часть - "нейропротекторная терапия", т.е. предотвращение сопутствующей патологии в зрительном нерве и, в частности, в ганглиозных клетках сетчатки. Подчеркнем: нормализация метаболизма в последних - ключевой фактор успешной реабилитации больных.

Сегодня в арсенале офтальмологов уже имеются препараты (нифедипин, мемантин, бримонидин и др.), воздействующие на многие звенья патогенеза нейродегенеративных повреждений при глаукоме. Однако их применение и эффективность очень часто ограничены. В связи с этим продолжается поиск средств с более выраженными защитными свойствами и, что особенно важно, с минимальными побочными эффектами.

ПОЧЕМУ ГИБНУТ НЕЙРОНЫ?

Для начала небольшой экскурс в один из разделов клеточной биологии.

Все живые организмы обеспечивают себя энергией за счет использования тех или иных внешних ресурсов. Ее выработку в клетке реализуют специальные органеллы, называемые митохондриями. Они обладают сложной ферментативной системой, позволяющей им осуществлять важнейшую для клетки функцию: синтез энергетической "валюты" организма - аденозинтрифосфата (АТФ) - путем окисления кислородом поступающих извне органических соединений. При синтезе АТФ кислород вступает в ряд химических реакций и в конце концов восстанавливается до воды (H2O) путем присоединения к молекуле O2 четырех электронов и четырех ионов водорода (O2+ 4e- + 4H+ = 2H2O). Эта сложная реакция катализируется специальными белками-ферментами. В итоге небольшое количество O2 (от 0,1 до 2 %) превращается в активные формы кислорода (АФК), предшественником которых служит супероксидный ион O (т.е. с неспаренным электроном). Именно АФК вызывают повреждение нейронов. В норме же в

* Ганглиозные клетки - нейроны, аксоны (отростки) которых, выходя из глаза, проводят возбуждение из сетчатки в центральную нервную систему (прим. ред.).

** Реперфузия - возобновление тока крови (прим. ред.).
стр. 6

Фотография митохондрии (увеличение в 25 000 раз).

митохондриях действует сложная система антиоксидантной защиты, предотвращающая такие разрушительные ситуации.

Поскольку развитие глаукомы связано, как уже упоминалось, не просто с повышением внутриглазного давления, но и с его постоянным колебанием в течение суток, то после периода кислородного голодания кровоток возобновляется, что вроде бы должно уменьшить патологические процессы. Однако на самом деле приток кислорода после ишемии усугубляет негативные процессы в клетках, ибо при репер-фузии концентрация веществ-восстановителей O2 в ткани резко возрастает, чем способствует дополнительной мощной генерации активных форм кислорода в митохондриях. Этим объясняется быстрое прогрессирование глаукомы у пациентов с выраженными частыми колебаниями внутриглазного давления.

НЕЙРОПРОТЕКЦИЯ: НОВЫЕ ПОДХОДЫ

Современные представления о патофизиологических процессах, происходящих в структурах зрительного нерва при рассматриваемой болезни, позволяют определить направления поиска защиты и сохранения жизнеспособности нейронов. Вот почему проводимые ныне работы в основном сконцентрированы на изыскании способов и средств торможения всех стадий патогенетического каскада, включая поиск антиоксидантов, предотвращающих развитие окислительного стресса, а также регуляторов ионных каналов* и выброса нейтротрансмиттеров**. Из трех перечисленных наиболее изучены последние. Однако клинические испытания не подтвердили экспериментальные данные о выраженных нейропротекторных эффектах этой группы лекарств. Непригодными для борьбы с глаукомой оказались и блокаторы кальциевых, натриевых, калиевых каналов.

Наименее изучены в указанном плане антиоксиданты. Правда, показана перспективность применения таких, как витамины E и C, эмоксипин, токоферол, липоевая кислота, цитохром c. К сожалению, исследования выявили и ряд недостатков у них в комплексном лечении заболевания.

Почему же обычные антиоксиданты обладают ограниченной эффективностью при глаукоме? Ответить на данный вопрос очень просто, если вспомнить, где образуется основная часть свободных радикалов при ее возникновении. Это митохондрии. А ведь все применяемые сегодня в лечении глаукомы соответствующие препараты не проникают в эти органеллы и не защищают их от патологического действия активных форм кислорода. Поэтому такая терапия не спасает митохондрии нейронов зрительного нерва от разрушения. Предложенный же нами технологический подход, освобожденный от названных недостатков, предполагает направленное воздействие на митохондрии с целью регулирования количеств АФК, производимых ими. Это своеобразная инженерия митохондрий, или митоинженерия. Одно из основных ее направлений - адресная доставка высокоэффективных антиоксидантов в указанные органеллы.

* Ионные каналы - специальные транспортные белки, поддерживающие разницу потенциалов, существующих между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны. С их помощью ионы натрия, калия, хлора, кальция перемещаются сквозь нее согласно их электрохимическим градиентам (прим. ред.).

** Нейротрансмиттеры (нейромедиаторы) - биологически активные химические вещества, посредством которых передается электрический импульс между нейронами (прим. ред.).
стр. 7

Липофильные катионы - молекулы-электровозы, способные обеспечить доставку в митохондрии "груза".

SkQ1 и модель его проникновения в митохондрии.

Каким должно быть соединение, способное защищать нейроны зрительного нерва у больных глаукомой? Во-первых, адресоваться именно в митохондрии. Во-вторых, быть безопасным, ибо взаимодействуя с АФК, молекулы "защитника" сами становятся радикалами; соответственно, в клетке должен существовать надежный способ немедленной их нейтрализации, желательно с восстановлением в изначальном виде. В-третьих, все антиоксиданты обладают прооксидантным (усиливающим процессы перекисного окисления) эффектом при повышении дозы, ограничивающим возможность их применения, т.е. они должны обладать высокой эффективностью в как можно более низких количествах. Важно заметить: традиционные вещества этого ряда, даже если они окажутся в митохондриальной мембране, представляют собой природные соединения, избыток которых может быть расщеплен клеточными ферментами. То есть фактически организм располагает системами защиты не только от кислорода, но и от антиоксидантов. Дело в том, что АФК выполняют ряд биологических функций - без них полноценная жизнь невозможна (они, например, непосредственно участвуют в борьбе с бактериями и вирусами). Поэтому "защитник" должен убирать не все АФК, а лишь их избыток, образующийся внутри митохондрий.

К сожалению, ни один из известных к концу XX в. антиоксидантов не отвечает всем этим требованиям. Реальный кандидат появился только в начале наступившего века.

Основная отличительная особенность митохондрий от других органелл клетки - наличие отрицательного заряда на внутренней мембране. Этот фактор можно использовать для адресного накопления веществ. На рубеже I960 - 1970-х годов один из авторов данной статьи Владимир Скулачев совместно с доктором физико-математических наук Евгением Либерманом (Институт биофизики АН СССР) обнаружили, что некоторые соединения - липофильные* катионы (к примеру, ион фосфония) - способны адресно проникать в митохондрии живой клетки. В подобных соединениях положительно заряженный атом окружен гидрофобными остатками. Заряд в таких ио-

* Липофильность - свойство, означающее химическое сродство к органическим веществам, является по сути синонимом гидрофобности (прим. ред.).
стр. 8

SkQ1 селективно накапливается в митохондриях фибробластов человека: а - расположение SkQl (красный цвет); b - расположение митохондрий (зеленый) в клетках фибробластов; c - наложение фото a и b друг на друга.

нах равномерно распределен по большому объему, окружающему центральный атом. Данная конструкция препятствует гидратации иона, являющейся основной причиной непроницаемости мембран для заряженных молекул. Не случайно в 1974 г. американский биохимик Дуглас Грин указанные соединения назвал "ионами Скулачева" (буквенное их обозначение - SkQ). А в начале 1970-х годов группа ученых из МГУ предположила, что проникающие катионы могут использоваться митохондрией как "молекулы-электровозы" для накопления незаряженных веществ, присоединенных к этим катионам.

В конце 1990-х годов британский биохимик Майкл Мерфи использовал эти идеи, предприняв попытку создать митохондриально-адресованный антиоксидант, для чего присоединил к липофильному иону витамин E. К сожалению, это вещество, равно как и его несколько более удачный вариант, в котором вместо витамина E использован убихинон, также являющийся антиоксидантом, до сих пор не нашло применения на практике (видимо, из-за сильного прооксидантного действия и недостаточной эффективности в низких дозах). В результате перспективность всего подхода оказалась под сомнением. Однако в 2003 - 2005 гг. в МГУ разработали новый митохондриально-адресованный антиоксидант. Чтобы принципиально повысить его эффективность, применили пластохинон - вещество, получаемое из хлоропластов растений, - по насыщенности кислородом последним нет равных в живой природе. Было сконструировано и синтезировано соединение SkQ1, и эффективность его оказалась в сотни раз выше, чем у предшественников.

СЕГОДНЯ И ЗАВТРА МИТОИНЖЕНЕРИИ

В итоге в 2005 г. была доказана эффективность митоинженерии как способа борьбы с митохондриальными АФК, выявлены первые подтверждения возможности реализации нового подхода на практике. Как оказалось, SkQ1 легко проникает через мембраны клеток и митохондрий, избирательно накапливается в последних. По нашим расчетам, концентрация этого вещества в них может быть выше, чем во внеклеточной среде в 2 * 108 раз, что поможет достигнуть необходимого терапевтического эффекта при минимальных дозах. Существенно, что SkQ1 - антиоксидант многократного действия, так как его окисленная форма восстанавливается митохондриями в исходную.

В 2005 - 2009 гг. получены многообещающие результаты в ходе экспериментов по лечению глаукомы с помощью SkQ1 в модельных системах на животных. В итоге разработана лекарственная форма - глазные капли "Визомитин". В 2010 г. в нескольких ведущих офтальмологических институтах России организованы их клинические испытания. Кроме того, в рамках проекта начинаются официальные доклинические исследования в США с целью последующего разрешения на клинические апробации за рубежом.

Все это позволяет сказать: SkQ1 может найти широкое применение в медицинской практике. Кроме того, изучение роли и значимости свободных радикалов кислорода в нарушении метаболизма показало, что они участвуют в патогенезе почти 100 заболеваний. И при каждом из них в митохондриях клеток различных тканей выявляется повышенное содержание как самих свободных радикалов, так и продуктов соответствующего окисления.

В настоящее время в рамках инвестиционного проекта "Практическое применение ионов Скулачева" проводятся эксперименты, в которых участвуют около 300 ученых в составе 40 групп, работающих более чем в 20 центрах России, США и Швеции. Опыты свидетельствуют: SkQ1 способен задерживать развитие болезней глаз, сердечно-сосудистых патологий, старение репродуктивной системы, возникновение злокачественных опухолей, увеличивать продолжительность жизни самых разных животных.

Работа поддержана грантом Президента Российской Федерации N МД-4423.2010.4






 

Биографии знаменитых Политология UKАнглийский язык
Биология ПРАВО: межд. BYКультура Украины
Военное дело ПРАВО: теория BYПраво Украины
Вопросы науки Психология BYЭкономика Украины
История Всемирная Религия BYИстория Украины
Компьютерные технологии Спорт BYЛитература Украины
Культура и искусство Технологии и машины RUПраво России
Лингвистика (языки мира) Философия RUКультура России
Любовь и секс Экология Земли RUИстория России
Медицина и здоровье Экономические науки RUЭкономика России
Образование, обучение Разное RUРусская поэзия

 


Вы автор? Нажмите "Добавить работу" и о Ваших разработках узнает вся научная Украина

УЦБ, 2002-2020. Проект работает с 2002 года. Все права защищены (с).
На главную | Разместить рекламу на сайте elib.org.ua (контакты, прайс)