Текст уведомления здесь

Чем отравить боль

Как самые смертоносные соединения в природе становятся послушными инструментами медиков

Ему повезло. Прямо под ним на песке безмятежно лежал Conus regius, корончатый конус, пестрый, идеально правильной формы — желанное приобретение для любого ценителя раковин. Сделав выдох, дайвер опустился ближе ко дну, взял крапчатую раковину в руки и отправился на поверхность. Уже на берегу, разобрав свои находки, он обнаружил едва заметную ранку на пальце. Вскоре легкий зуд в пальцах и онемение кисти подтвердили худшие опасения, а через пару часов рука уже полностью онемела. Неотложка, госпиталь, удивленное лицо врача — еще ни разу за свою карьеру медик не сталкивался с этим, нетипичным для здешних вод, ядом.
Добавить в закладки
Комментарии

К счастью, эта история закончилась для всех благополучно: дыхание и сердцебиение везучего коллекционера нарушал лишь легкий испуг. Уже на следующее утро все симптомы прошли, укушенный в палец ценитель раковин отправился домой, а медики сели писать статью — о первом в медицинской практике случае отравления ядом корончатого конуса.

Бразильскому коллекционеру и правда несказанно повезло. Если бы в его руках оказался не мирный карибский Conus regius, а его своенравный индо-тихоокеанский родич Conus geographus, раковина, найденная им в тот день, легко могла бы стать его последним трофеем.

Моллюски рода Conus — абсолютно фантастические существа. Щедрая на выдумки природа вооружила их настоящей гарпунной пушкой. Типичная для всех брюхоногих моллюсков костная терка-радула, выполняющая роль челюсти, превратилась у конусов в кассету острых костных гарпунов — во время охоты один из таких гарпунов подается в мускулистый хоботок, сокращение которого вонзает гарпун в тело жертвы. Чаще всего это рыба, легкомысленно проплывающая вблизи затаившегося моллюска. Но самое потрясающее во всей этой истории — яд, которым перед выстрелом моллюск заправляет особую полость в своем гарпуне.

Начинка этого оружия — невероятный коктейль из примерно 1000 различных белков! К пущему восторгу биохимиков-токсикологов, оказалось, что этот яд еще и крафтовый — его состав индивидуален не только для моллюсков разных видов (коих насчитывается более 500), но даже для собратьев по виду с рифов напротив.  

Брюхоногие моллюски неторопливы, и конус не исключение. Поэтому главная функция его яда — сделать так, чтобы у жертвы не было ни сил, ни желания что-либо делать после укола гарпуном. Жертва должна быть качественно обездвижена и обессилена, а для ее полного спокойствия — еще и обезболена. Обессиливают такие неожиданные, с точки зрения токсиколога, компоненты яда, как инсулин, лишающий несчастную рыбку свободной глюкозы в крови и сил к сопротивлению. А вот за обездвиживание и обезболивание отвечает  целая палитра коротких пептидов-нейротоксинов, блокирующих различные нейрорецепторы жертвы.

Боль идет по проводам

Обезболивание было и остается одной из самых необходимых и одновременно сложных задач в медицине. Традиционные противовоспалительные препараты и мощные опиоиды работают не всегда, а иногда и вовсе смертельно опасны для пациента. Тогда на первый план выходят нейротоксины — самые смертоносные соединения в природе, взятые на вооружение такими созданиями, как конусы.

Боль абсолютна необходима для нашего выживания. Циничная стерва-эволюция позаботилась о том, чтобы любое поползновение к разрушению организма вызывало у нас острый дискомфорт и невыносимое желание прекратить это опасное для благополучия наших эгоистичных генов начинание.

В диком-предиком мире очень дикой природы сложно перебрать с вопросом личной безопасности, поэтому в войне генов за выживание оказываются хороши все, даже самые крайние и беспощадные к своему организму-носителю средства. Пусть чувство боли регулярно доставляет животному страдания, зато оно делает его осторожнее и когда-нибудь обязательно спасет ему жизнь.

В результате  боль в широком смысле стала бессменным спутником существ со сколь-нибудь сложной нервной системой, и испытываем мы ее практически по любому удобному поводу.  

Неудивительно, что во все времена борьба с болью была главной заботой медиков. За прошедшие 100 лет более или менее осмысленного существования фармакологии исследователям удалось продвинуться в разрешении этого наболевшего вопроса. Сегодня в любой аптеке нам предложат внушительный набор обезболивающих, и все эти бесчисленные аспирины, ибупрофены, парацетамолы и прочие кетопрофены имеют более или менее одинаковый механизм действия. Они блокируют различные виды циклооксигеназ, ферментов, синтезирующих простагландины — важнейшие регуляторы воспаления.

Ваши душевные муки упомянутые препараты вряд ли облегчат, но с большинством бытовых страданий вроде боли от потери очередного зуба мудрости они расправляются на ура. Но, к сожалению, работа врачей не ограничивается больной головой и растянутыми связками, поэтому во многих случаях приходится прибегать к опиоидам.

Надрезанная коробочка мака снотворного, из которой вытекает опийKGM007 / wikimedia commons

Эти вещества до сих пор остаются самыми мощными средствами в арсенале современной медицины, как и полтора столетия назад. Когда-то выделенный из опийного мака морфин дал начало целому семейству веществ — активаторов опиоидных рецепторов. В норме эти рецепторы активируются под действием естественных эндорфинов — тех самых «гормонов счастья», как известно, имеющего заметный обезболивающий эффект. Но кроме подавления боли различные типы опиоидных рецепторов занимаются еще кучей важных дел — управляют центрами отрицательного и положительного подкрепления гипоталамуса, они же работают в дыхательном центре продолговатого мозга и в стенках кишечника, управляя частотой дыхания и перистальтикой. Из-за того что опиоидные рецепторы вовлечены в такое множество физиологических процессов, их агонисты, опиоиды, имеют невероятное количество побочных эффектов. От сравнительно безобидного нарушения перистальтики до внезапной смерти от остановки дыхания и ужасов опиоидной наркомании.

Тему плюсов и минусов опиоидных обезболивающих можно обсуждать очень долго. В то же время сейчас обойтись без них абсолютно невозможно. Но можно ли хоть в перспективе попытаться чем-то их заменить? Тут мы возвращаемся к конусам, мастерски готовящим смертельные коктейли для своих жертв.

Эти яды — идеальный ресурс для поиска потенциальных обезболивающих. Еще в середине 80-х из яда смертельно опасного географического конуса был выделен ω-конотоксин GVIA, мощный блокатор кальциевых каналов N-типа. Не вдаваясь в подробности, скажем, что некоторые подтипы этих рецепторов сидят на проводящих болевые импульсы нейронах спинного мозга. Их активация приводит к выбросу субстанции P  — вещества, которое можно считать воплощенными болью и страданием. Блокирование кальциевых каналов N-типа разрушает «дорогу боли», останавливая болевой импульс еще до входа в головной мозг. В то же время необратимость связывания этого токсина с рецепторами приводила к ряду побочных эффектов, не позволив сделать из него обезболивающее.

Вскоре из другого конуса — Conus magnus был выделен менее ядреный ω-конотоксин MVIIA. При крайне низкой токсичности и умеренных побочных эффектах он не мог не быть замечен фармакологами и уже середине 2000-х вышел на рынок под торговой маркой Prialt. Обезболивающее действие препарата оказалось в 1000 раз сильнее золотого стандарта анальгетики — морфина, и он абсолютно не вызывал привыкания. Можно было подумать, что воплотились мечты поколений медиков,  но оставалась одна небольшая проблема... У крупного пептида в 25 аминокислотных остатков нет абсолютно никаких шансов пройти через гемато-энцефалический барьер — демаркационную линию, отделяющую нежные ткани нашей центральной нервной системы от всего того, что периодически оказывается в нашей крови. Решение тут лишь одно — введение препарата прямо в спинной мозг, что возможно лишь в условиях стационаров.

Боль как привычка

Несравнимо более сложной задачей медиков остается лечение нейропатической боли, при которой болевой синдром вызывается нарушением работы самой системы болевой чувствительность. Именно такие осложнения возникают примерно у 20% пациентов, проходящих курс химиотерапии. Изменения в отростках сенсорных нейронов, ответственных за передачу болевых импульсов, приводят к тому, что боль создается теми стимулами, которые в норме не должны ее вызывать. Это явление называют аллодинией. При этом абсолютно безобидное прикосновение, холод куска мороженого или тепло кружки кофе вызывают интенсивные боли. Причина этого загадочного синдрома до конца не понятна, но есть предположение, что химиотерапевтические препараты повреждают митохондрии отростков нервных клеток.

Митохондрии — главные энергетические подстанции клетки. А самая «жирная» статья энергетических расходов нейронов — поддержание разницы потенциалов на мембране (заряда мембраны). Дефицит энергии приводит к тому, что нейронам становится все труднее поддерживать необходимую разницу потенциалов на мембране, и, падая до порогового значения, она спонтанно приводит к развитию потенциала действия — нервного импульса, в данном случае воспринимаемого мозгом как болевой.

И тут на помощь снова выходят токсины. Остроумная модификация конотоксина Rg1A, в котором исследователи заменили несколько аминокислот, полностью купирует у мышей нейропатическую аллодинию, вызванную введением химиотерапевтического препарата оксалиплатина. Судя по всему, этот сравнительно короткий, а значит, относительно удобный для химического синтеза конотоксин блокирует никотиновые ацетилхолиновые рецепторы альфа 9-типа, одну из новых и перспективных мишеней анальгетиков.

Вообще, воздействие на нейроны, которые отвечают за проведение и обработку нервных импульсов внутри мозга, кажется гораздо более универсальным методом борьбы с хроническими болями.  Если уж причины, по которым сломанные сенсорные нейроны пылают болевыми импульсами так разнообразны, то, может быть, имеет смысл воздействовать не на них, а на вышестоящий этаж иерархии нервных клеток? Можно ли просто разрушить сам источник хронической боли, хотя бы заставить его замолчать на длительное время? Судя по всему, можно. И в этом нам могут помочь самые смертоносные вещества на земле — бактериальные токсины.

Убийственные клостридии

Самыми смертоносными токсинами на Земле эволюция наградила ничем не примечательный род бактерий — Clostridium. Эти невзрачные обитатели почвенного перегноя занимают верхние строчки в рейтинге ядовитости живых существ. По значению LD50 (дозы, вызывающей смерть половины подопытных животных) на первом месте оказалась Clostridium botulinum c ее ботулиническим токсином, а на втором — Clostridium tetani, возбудитель столбняка. Оба яда — невероятно сложные белки, проникающие внутрь синаптических окончаний нервных клеток и препятствующие выбросу нейромедиатора. Из-за того что действующая часть токсина — фермент, на выведение из строя одного синапса в теории может хватить одной-единственной молекулы, проникшей в клетку.  К слову, решительно непонятно, зачем клостридиям понадобился настолько сложный, специализированный и чудовищно эффективный инструмент убийства животных. Быстро разделавшись с хозяином, они даже не могут толком воспользоваться плодом злодеяния и заселить его бренный труп. Слишком мало клостридий хватает для смерти хозяина, а потом маленькие убийцы просто не успевают колонизировать освободившуюся территорию и проигрывают в борьбе с другими бактериями-интервентами.  

Микрофотография Clostridium tetani, возбудителя столбнякаCDC

Но давайте вернемся к механизму действия этих смертельных причуд природы. Токсин ботулизма состоит из двух ковалентно связанных друг с другом полипептидных цепей — тяжелой и легкой. Тяжелая цепь, сама состоящая из двух доменов, связывается с мембраной нервных клеток и обеспечивает проникновение через нее всего белка. После этого связь между двумя цепями разрушается. Легкая цепь — фермент-протеаза, который разрезает одну единственную пептидную связь в белке SNAP-25, полностью выводя его из строя. И все бы ничего, но SNAP-25 критически важен для выброса из синапсов нервных клеток пузырьков с нейромедиаторами. Нет выброса нейромедиатора — нет и передачи сигнала. То есть теоретически одна молекула ботулинического токсина запросто может на очень долгое время прервать передачу нервного импульса через синапс. Должно быть, вы уже поняли, какую службу это может сослужить медицине.

Исследователи это поняли. И уже давно. Блокируя выброс медиатора из нервного окончания, токсин ботулизма способен выключить его на много месяцев подряд. Лишь бы доставить его в в нужный синапс да не перебрать с дозой, чтобы не убить пациента.  И тут самое время вспомнить про ботокс — разведенный до ничтожной концентрации токсин ботулизма, инъекции которого в мимическую мышцу качественно и надолго (до шести месяцев) ее расслабляют, разглаживая мимическую морщину над ней. Ну а если точечно доставить токсин в клетки, проводящие болевые импульсы? Идея непростая в реализации, но многообещающая.

Именно по этому пути пошли авторы работы, недавно опубликованной в журнале Science Translational medicine. Взяв из структуры природного токсина ботулизма  лишь легкую цепь протеазы и транслокационный домен тяжелой цепи (тот, что проносит белок через мембрану), ученые привязали все это через белковый переходник с молекулой, которая будет специфично связываться именно с теми нейронами, которые нужно «заткнуть». Перебрав с десяток таких молекул-курьеров, исследователи получили целую галерею конструкций, подходящих для избирательного выключения самых разных нейронов. Для тестов на мышах были отобраны те две конструкции, которые  «наводились» на цель прицепленными к токсину молекулами дерморфина и субстанции P. Вы наверняка уже заметили, что название первого вещества явно похоже на морфин, и это не случайность.  Оно связывается с опиоидными рецепторами μ-типа, так же как и морфин, но намного избирательнее. А второе вещество — нейромодулятор, отвечающий в основном за увеличение болевой чувствительности, поэтому рецепторы, с которыми оно связывается, как раз и находятся на нейронах, передающих болевые импульсы.

Конечно, размер полученных белковых конструкций полностью лишал их каких-либо шансов на прохождение через гемато-энцефалический барьер. Однако сложное введение в спинно-мозговой канал полностью компенсируется сроком действия такого обезболивающего: фантастическая активность и стабильность токсина ботулизма позволяют ему блокировать нейроны на протяжении десятков дней. В опытах на мышах такая обезболивающая терапия уверенно действовала больше 10 дней, не показывая токсичности или каких-либо побочных эффектов. Понятно, что до применения столь необычных обезболивающих на людях должны пройти годы исследований, но сам подход к долговременному «затыканию рта» нейронам болевой чувствительности выглядит очень перпективным.

Во всех упомянутых исследованиях хорошо читается общий тренд развития фармакологии. Современная фармакотерапия зародилась чуть больше ста лет назад, с создания препаратов на базе сравнительно простых, мелких молекул. Именно эти простые молекулы и оставались основой большинства препаратов в течение века. Однако в последние десятилетия ракетоподобный прогресс биотехнологий дает нам власть играть со все более сложными молекулами. Сначала это были генно-инженерные гормоны вроде инсулина, затем антитела, и вот очередь добралась до белков-нейротоксинов и биоинженерных конструкций на их основе. В эту же восходящую кривую сложности лекарств ложатся и первые громогласные успехи генной терапии, CAR-T-клеточных технологий, и наконец-то вышедшие в жизнь РНК-препараты. Похоже, что точность и направленность действия постепенно начинают окупать непомерно высокую цену изготовления таких препаратов. Конечно, это не значит, что привычный аспирин будет совершенно вытеснен умными конструкциями на базе токсинов. Просто для них есть своя свободная ниша, где их с нетерпением ждут.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью

Правила камуфляжа

Биология и математика управляют окраской животных

Пятна жирафа, полоски зебры, узоры на крыльях бабочки — сколько детей мучали родителей вопросами, откуда берутся эти причудливые живые рисунки. Оказывается, у ученых уже есть ответы. Немного химии, немного математики и эволюционный отбор — природа разрисовывает свои создания по вполне определенным правилам.
Добавить в закладки
Комментарии

Зачем нужна необычная окраска?

У Редьярда Киплинга есть сказка о том, как леопард получил свои пятна: когда-то давно все животные на земле были окрашены исключительно равномерно, но потом травоядные ушли в леса, обзавелись полосками, пятнами, а также прочими маскирующими узорами, и хищникам пришлось приспосабливаться к новым условиям. Вскоре после этого сначала почернели люди (Киплинг пересказывает эфиопскую сказку), а потом из охотничьей солидарности они покрыли отпечатками своих рук леопардов, чтобы те снова могли незаметно подбираться к добыче.

Десятки схожих сюжетов о животных можно найти в самых разных уголках мира: даже Чарльз Дарвин считал, что основная функция необычной окраски многих животных — это маскировка, помогающая им либо сливаться с окружающей местностью, либо обманывать зрение хищников (или, наоборот, жертв) и расплываться в их глазах бессмысленными пятнами.

Для многих животных это верно, но не для всех. Например, в исследовании 2016 года канадские, американские и японские ученые показали, что черно-белые полоски зебр не очень хорошо подходят для их естественной среды обитания. Используя данные о зрении львов и пятнистых гиен — главных врагов зебр, исследователи показали, что на открытой местности хищники будут различать полосатых животных так же хорошо, как и своих однотонных родственников. Поэтому окраска зебр, по мнению ученых, не может объясняться классической «камуфляжной» версией. [ ... ]

Читать полностью

Мы — то, что мы едим

Как еда меняет наш эпигеном

Мы завтракаем, обедаем, ужинаем. Перекусываем на ходу бесчисленное количество раз и совершенно не замечаем, как эти банальные (но часто приятные) приемы пищи понемногу определяют, как наши организмы будут использовать инструкции, скрытые в геномах. Татьяна Татаринова, профессор Университета Южной Калифорнии, помогла «Чердаку» разобраться, как именно еда влияет на эпигеном человека.
Добавить в закладки
Комментарии

Природа полна случайностей и несправедливостей — взять хоть самых обыкновенных пчел. От рождения все их личинки практически идентичны и обладают одинаковыми генами, с которыми можно прекрасно развиться в пчеломатку. Вот только у большинства пчел фермент DNMT3A постепенно блокирует все королевские гены, и они превращаются в скучных рабочих-обывателей. Другим везет куда больше (или меньше?): выбранные слепой судьбой на роль будущих пчеломаток эти особи получают не обычную еду, а маточное молочко — высококачественную питательную смесь, активные вещества которой «выключают» DNMT3A и разблокируют королевские гены.

Эта история с пчелами, наверное, самый яркий пример влияния еды на функции живого организма через его эпигеном — совокупность обратимых химических модификаций структуры ДНК, не затрагивающих саму наследственную информацию, но зато определяющих, какие именно из множества инструкций по сборке организма нужно применять в разных условиях и в разные моменты времени.

Эпигенетика решает, какие гены нужно активировать, а какие — подавить, тем самым помогая клеткам-близнецам с идентичными геномами образовывать самые разные органы и ткани.

Эпигенетических механизмов контроля генов у клетки много. Большинство из них завязано на регулировании интенсивности транскрипции — процесса, в котором на матрице ДНК синтезируется РНК. К примеру, упомянутая ДНК-метилтрансфераза DNMT3A подавляет промоторные участки, с которых обычно начинается транскрипция каждого гена. Для этого она «навешивает» на эти участки метильные группы — после этого проводящим транскрипцию белковым комплексам становится гораздо сложнее подобраться к ДНК, и в результате синтез РНК по этим прометилированным генам замедляется или прекращается вовсе. [ ... ]

Читать полностью