Токсины блокируют боль

Боль - важнейшая защитная физиологическая функция организма, сигнализирующая о нарушениях процессов жизнедеятельности и возможной угрозе жизни. Однако некоторые патологические состояния организма сопровождаются хронической болью, которая, утратив сигнальную функцию, резко снижает качество жизни человека, его работоспособность, вызывает постоянные страдания. Около 20% человечества страдает от хронической боли. Именно болевые синдромы являются одной из основных причин обращения людей за врачебной помощью.

В арсенале современной медицины присутствует весьма скромный и мало обновляемый набор обезболивающих препаратов: морфин и другие опиоиды, аспирин, нестероидные противовоспалительные средства, а также разнообразные вещества неспецифического действия - антиконвульсанты и антидепрессанты. Все известные на сегодняшний день анальгетики обладают нежелательными побочными эффектами или имеют значимые противопоказания, что резко ограничивает область их клинического применения. Кроме того, традиционные анальгетики оказываются практически бесполезными при купировании некоторых типов болевых синдромов, например при различных нейропатиях.

В течение последних лет в Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН ведутся интенсивные работы по созданию анальгетиков нового поколения, специфично воздействующих на молекулярные механизмы генерации боли с минимальными побочными эффектами. Результаты этих исследований были представлены в докладе члена-корреспондента РАН, заместителя директора ИБХ РАН, профессора Евгения Гришина «Природные токсины: фундаментальные и прикладные аспекты» на недавнем заседании президиума РАН.

По современным представлениям, мембранные рецепторы и ионные каналы в значительной мере обеспечивают процесс работы живой клетки и играют определяющую роль в передаче межклеточных сигналов. Любые нарушения в тщательно сбалансированной работе клеточных рецепторов и каналов приводят к развитию различных патологий. В настоящее время ученые идентифицировали целый ряд полипептидов, которые способны регулировать активность рецепторов и функционирование ионных каналов с высокой специфичностью и, следовательно, являются перспективными с точки зрения создания новых лекарственных препаратов.

Специалисты ИБХ РАН, обладая колоссальным опытом исследований биоактивных молекул пептидной природы, в поиске перспективных кандидатов на роль анальгетиков нового поколения обратились к природным источникам - ядам пауков, скорпионов и морских беспозвоночных. Как оказалось, природные яды фактически представляют собой своеобразные библиотеки полипептидов с различными биологическими свойствами, которые содержат целые семейства полипептидных молекул - селективных модуляторов функциональной активности отдельных рецепторов и ионных каналов. В распоряжении ученых оказались созданные самой природой и уникальные по своему многообразию молекулы, которые потенциально могут стать высокоэффективными анальгетиками.

Работы основывались на результатах многолетних масштабных исследований ИБХ РАН, в ходе которых были сформированы общие принципы использования природных нейротоксинов в качестве инструментов исследования рецепторных компонентов мембраны нервной клетки. В институте выполнено комплексное исследование токсических компонентов яда пауков, скорпионов, муравьев и змей (всего 50 видов ядовитых животных), взаимодействующих с клеточной мембраной, разработаны общие подходы для их идентификации, выделения и структурного анализа. Специалисты ИБХ РАН обнаружили в природных ядах более 150 различных токсинов, 136 из них были охарактеризованы впервые. Применение современных методов молекулярной биологии и биоинформатики позволило ученым создать базы данных всех пептидных компонентов из ядовитых желез 11 видов пауков. По результатам компьютерного анализа этих огромных массивов информации было идентифицировано более 1500 новых пептидов. Итогом работы стало создание концепции о том, что яды паукообразных представляют собой комбинаторные библиотеки полипептидных молекул направленного действия.

В качестве примера таких молекул можно привести семейство коротких антимикробных полипептидов латарцинов из яда паука Lachesana, впервые выделенных и изученных в лаборатории профессора Е.Гришина. Было показано, что латарцины способны вызывать гибель грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов и дрожжей, формируя каналоподобные структуры в их мембранах.

- Человечество в процессе своего развития и каждый человек в течение своей жизни не может избежать столкновений с множеством различных ядовитых животных и ядовитых растений, -рассказывает профессор Е.Гришин. - Чаще всего люди сталкиваются со змеями, лягушками, скорпионами, пауками и традиционно стараются от них обороняться. (Пауки появились около 400 млн лет назад и являются одними из наиболее древних животных, которые до сих пор процветают на Земле.) В то же время с некоторыми ядовитыми живыми организмами люди научились мирно сосуществовать и даже получать от них пользу. Так, например, пчела совершенно не воспринимается как ядовитое насекомое и используется сегодня «в мирных целях». В качестве другого примера могу привести «обращение на службу человечества»    бактерии    Clostridium botulinum, которая продуцирует самый сильный из известных токсинов, на его основе создан известный лечебно-косметический препарат.

По современным представлениям под термином «токсины» подразумеваются компоненты природных ядов, однако многие молекулы, содержащиеся в ядах, фактически не токсичны. Такие молекулы не убивают, а действуют на клеточные функции и системы, которые не являются важными для поддержания жизнедеятельности организма. «Нетоксичные» токсины в организме могут выполнять роль корректирующих веществ, изящно модулируя или подправляя функцию нужной нам системы. Однако всегда необходимо помнить, что «большие» дозы (говорим об этом в кавычках, потому что в данном контексте величина дозы - понятие относительное) всех токсинов опасны для организма. Но ведь даже хлорид натрия в малых дозах полезен и даже жизненно необходим, а в больших будет убивать.

Когда идет речь о природных токсинах, то в первую очередь любой человек думает об опасности и угрозе жизни. Но природные токсины не только являются совершенно уникальными молекулярными инструментами для научных исследований клеточных рецепторных систем и каналов, но и предоставляют самые широкие возможности для поиска кандидатов на роль современных лекарственных препаратов. Кроме того, в настоящее время некоторые токсины микроорганизмов и беспозвоночных уже используются для обеспечения защиты сельскохозяйственных растений и животных, и этот список применения токсинов на пользу человечеству можно продолжать.

В настоящее время в Институте биоорганической химии созданы уникальные базы данных пептидных молекул из ядов 11 видов пауков, по результатам анализа которых ученые идентифицировали более полутора тысяч новых полипептидных токсинов. Эти молекулы объединяются в 335 различных структурных групп, то есть компоненты ядов 11 видов пауков, по всей видимости, действуют на 335 различных или гомологичных рецепторных систем. Результаты позволяют специалистам надеяться на то, что при дальнейших исследованиях в этой области с большой вероятностью можно будет выделить молекулы, которые способны модулировать функцию любой из существующих в организме инотропных систем.

Область изучения природных токсинов, отмечает профессор Е.Гришин, достаточно перспективна и в плане клеточных технологий. Используя токсины, можно модулировать функцию инотропных систем и таким образом создавать клетки с заранее заданными свойствами.

- Вполне закономерно, что основное действие природных ядов направлено на нервную систему, деятельность которой обеспечивается инотропными рецепторными структурами, -говорит Евгений Васильевич. - Ядовитые животные обладают способностью создавать специализированные молекулы, которые, воздействуя на определенные рецепторные системы нервной клетки, должны угнетать деятельность нервной системы. Однако современные молекулярные технологии позволяют модифицировать природные токсины и создавать молекулы, которые помогут функционировать нервной системе при возникновении патологии.

Приведу один пример. Медикам хорошо известен термин «каналопатия». Это явление в основном связано с возникновением мутаций, которые приводят к тому, что в организме человека реакция определенных каналов, рецепторов на те обычные функциональные стимулы, которые присущи здоровому человеку, становится неадекватной. С помощью пептидных токсинов такие системные сбои в ряде случаев удается компенсировать, что позволяет принципиально улучшить состояние пациента.

Ученые убеждены, что пептидные токсины как предшественники лекарственных средств имеют массу преимуществ. У них совершенно уникальная специфичность действия, достаточно высокая стабильность, низкая иммуногенность. Структуру токсинов можно оптимизировать, иначе говоря, на основе строения природного вещества можно получить структуры различных синтетических или неприродных веществ, и, что немаловажно, в данном случае нет особых проблем с производством.

- Будучи уверенными, что среди природных токсинов с высокой вероятностью может быть найден модулятор для любой рецепторной системы, мы решили сосредоточить свои усилия на поиске новых полипептидных токсинов для борьбы с болью, - говорит мой собеседник. - Ведь это колоссальная проблема для всего человечества, к тому же хронические боли являются основной причиной обращения пациентов за медицинской помощью, и прежде всего в развитых странах. Согласно официальной статистике, пятая часть всех пациентов, страдающих хроническими болевыми синдромами, не реагируют на традиционные анальгетики, а это миллионы людей. Следовательно, проблема создания обезболивающих препаратов нового поколения является архиважной и требует пристального внимания ученых.

Детальные механизмы генерирования боли до конца не изучены. По упрощенной модели основные рецепторные системы, задействованные в генерации боли, сосредоточены на ноци-цепторных нейронах. Там находится и ванилоидный рецептор, также известный как TRPV1, который считается одним из важнейших интеграторов болевых и воспалительных стимулов. Примечательно, что этот рецептор реагирует на тепловые стимулы (терморецептор), а свое название «ванилоидный» получил от горького перца чили, поскольку содержащийся в нем капсаицин активирует рецептор и вызывает ощущение тепла. Рецептор TRPV1 является одной из перспективных молекулярных мишеней для терапии хронических болевых синдромов. К настоящему времени найдено множество высокоэффективных низкомолекулярных антагонистов TRPV1, однако лишь немногие из них обладают выраженными анальгетическими свойствами.

Специалистам ИБХ РАН в сотрудничестве с дальневосточными коллегами удалось выделить из тропической актинии полипептидный токсин, ингибирующий функциональную активность TRPV1. На сегодняшний день это первый пептидный ингибитор TRPV1. В опытах на животных было показано, что эта молекула обладает значительными аналь-гетическими свойствами и может быть перспективной для разработки новых лекарственных средств. После введения токсина испытуемым животным наблюдалось существенное снижение болевой чувствительности, причем этот эффект был достаточно продолжительным. Кроме того, выяснилось, что эффективность пептида на порядок превышает эффективность всех известных анальгетиков, что дает ученым основание для последующей работы по созданию нового обезболивающего препарата на основе этого токсина.

Из яда паука Lycosa sp. выделен селективный пептидный модулятор кальциевых каналов, обладающий уникальным механизмом действия, установлено его строение и получен рекомбинантный аналог. Предполагается, что он может стать основой для создания нового высокоспецифичного аналгетического средства и использоваться для исследования структуры и функции кальциевых каналов.

Доклад профессора Е.Гришина на президиуме РАН вызвал большой интерес и получил высокую оценку. В частности, академик РАН М.Островский отметил, что сообщение автора имеет прямое отношение к одной из самых актуальных и животрепещущих проблем в современной физиологии - сенсорной физиологии и затрагивает вопрос физиологии боли. И это - совершенно конкретный пример кооперации, плодотворного сотрудничества фундаментальной науки и медицины.

Академик РАН М.Угрюмов обратил внимание на то, что примеры, которые приводились в докладе профессора Е.Гришина, в основном были связаны с функционированием нейрона и нервной системы. А нервная система - это совокупность большого количества нейрональных ансамблей, которые могут выполнять разные функции: регулировать двигательную активность, психическую деятельность. М.Угрю-мов отметил, что естественные природные токсины являются уникальным инструментом.

Татьяна КУЗИВ, корр. «МГ».