ІАіЕ - Життя без катаракти: профілактика замість операції

03.04.2017

Вчені Міжнародного томографічного центру СО РАН перевіряють оптимістичну гіпотезу профілактики і лікування катаракти, повідомляється в статті на сайті Інституту хімічної біології і фундаментальної медицини СО РАН .

Актуальним напрямком сучасної медицини є боротьба з наслідками старіння, хоча логічніше було б визнати старість хворобою і лікувати саме старіння, а також працювати над профілактикою його наслідків. Але це - завдання медицини майбутнього. А поки в ряду «популярних» наслідків старіння, на боротьбу з якими спрямовано зусилля лікарів і вчених, - цукровий діабет 2 типу, захворювання серцево-судинної системи, нейродегенеративні та онкологічні хвороби, «почесне» місце займають офтальмологічні патології.

вчені з Міжнародного томографічного центру СО РАН (Новосибірськ) вже кілька років працюють над вивченням механізмів розвитку катаракти - офтальмологічного захворювання, яким страждає більше половини людей старше 65 років у всьому світі, і яке є основною причиною сліпоти. Кінцева мета вчених - зрозуміти механізми розвитку цього захворювання, навчитися діагностувати його на ранніх стадіях і розробити альтернативний оперативному втручанню профілактичне лікування.

Керівник групи протеоміки та метаболомікі лабораторії магнітних досліджень МТЦ СО РАН, д.х.н. Юрій Павлович Центаловіч розповів про те, як розумна і високоефективна природна система захисту оберігає кришталик ока від зовнішніх пошкоджень, чому в процесі життя людини цей захист ламається, і як роботи з вивчення катаракти допомагають вченим придумати, як продовжити здоров'я очей.

На процес старіння існують як мінімум дві точки зору. Одна полягає в тому, що старіння - це неминучий, запрограмований природою процес, підсумком якого є смерть. Інша точка зору полягає в тому, що старіння - це хвороба, і якщо розібратися в її механізмах, то можна дуже серйозно продовжити людині життя і поліпшити її якість.

Юрій Павлович Центаловіч - д.х.н., керівник групи протеоміки та метаболомікі лабораторії магнітних досліджень МТЦ СО РАН.

Мені ближче перша точка зору. Тому я бачу головне завдання сучасної медицини в створенні максимально комфортного рівня життя для літніх людей, а це має на увазі профілактику і лікування пов'язаних зі старістю хвороб, в тому числі катаракти.

Ще сто років тому людина в середньому жив 40-50 років: війни і епідемії сильно заважали дожити до глибокої старості. Зараз навіть 70-річний вік - ще не привід думати про смерть. Але саме на цей період життя випадає велика кількість різних захворювань, про які вам розповість будь-який літня людина. Чим довше людина живе, тим більша ймовірність розвитку хвороб, характерних для літнього віку.

Вікові захворювання займають основну позицію в медичній системі. Люди старше 65 років споживають в три з половиною рази більший обсяг медичного обслуговування, ніж люди у віці від 19 до 64 років. У свою чергу, люди старше 84 років споживають в два з половиною рази більше медичного обслуговування, ніж люди у віці від 65 до 69 років. Витрати на медицину в останній рік життя людини часто бувають надзвичайно високими.

Людство навчилося справлятися з мікробними захворюваннями, ефективно бореться з вірусними, а з тими, що розвиваються після 60-65 років - не вміє, хоча саме ці захворювання мають велике соціальне значення. Одна справа, коли тобі 70 років, а ти ходиш на лижах і катаєшся на ковзанах, і зовсім інше, - коли ти погано бачиш, погано ходиш. Це дві зовсім різні старості.

У нашій лабораторії ми досліджуємо біохімічні і фотохімічні процеси, які відповідальні за розвиток соціально значущих захворювань, в першу чергу офтальмологічних, а саме - катаракти. Катаракта, або помутніння кришталика, розвивається більш ніж у половини людей старше 65 років і стає найчастішою причиною зниження і втрати зору - 47% всіх офтальмологічних хвороб. Це захворювання настільки поширене, що його нерідко розглядають як неминучий прояв старіння.

Форми катаракти. 1. Передня полярна катаракта: в центрі зіниці видно обмежене помутніння сірого кольору. 2. Шарувата (зонулярние) катаракта: в центрі розширеного зіниці дисковидное помутніння кришталика. 3. Початкова вікова катаракта: помутніння у вигляді стріл, що йдуть від екваторіальної області до центру. 4. Незрілі вікова катаракта: часткове помутніння кришталика. 5. Зріла вікова катаракта: помутніння всіх шарів кришталика. 6. морганіевих катаракта: опущення ядра кришталика вниз (вказано стрілкою). 7. Вторинна катаракта: в області зіниці видно щільну плівка з просвітом в центрі; кордону дефекту райдужки вказані стрілками. Джерело: Велика медична енциклопедія, Головний редактор Б. В. Петровський видання третє, онлайн версія.

Коли зміни кришталика вже помітні клінічно, це, як правило, відповідає необоротної стадії захворювання, тобто, терапевтичне втручання вже малоефективно. Виділяють чотири стадії розвитку катаракти в залежності від ступеня помутніння кришталика, і існують препарати на основі антиоксидантів, які можуть уповільнити розвиток захворювання, хоча і не зупинити його. Це, наприклад, «краплі Скулачева» (Візомітін) і препарати природного походження на основі чорниці. Але ліків для запобігання розвитку катаракти або відновлення прозорості кришталика в даний час немає, в тому числі тому що занадто мало відомо про механізми її розвитку. На пізніх стадіях хвороби єдиний ефективний спосіб лікування - заміна кришталика хірургічним шляхом (60% офтальмологічних операцій проводяться з приводу різних форм помутніння кришталика). Ми ж хочемо, досконально вивчивши механізми розвитку захворювання, розробити нові методи діагностики, профілактики та лікування катаракти.

Природні механізми захисту від катаракти - як працюють і як ламаються

Кришталик - одна з найбільш прозорих тканин людського тіла, його завдання - фокусувати світло на сітківці ока. Абсолютна прозорість кришталика досягається завдяки тому, що він складається з фіброзних клітин, які втратили клітинні органели і заповнених водою і білками Кристалін. Якби кришталик складався з «нормальних» клітин з ядром, рибосомами і іншими органелами, розміри яких перевищують розмір довжин хвиль видимого світла, він би не був прозорим. Білковий склад кришталика забезпечує його пластичність і можливість акомодації - під дією очних м'язів кришталик стає більш плоским або більш опуклим, тим самим змінюючи фокусну відстань оптичної системи очі і забезпечуючи можливість добре бачити на різних відстанях.

Можливі ускладнення після заміни кришталика ока. У деяких випадках після операції може підвищитися внутрішньоочний тиск і розвинутися глаукома, стан, що характеризується атрофією зорового нерва. Може знадобитися додаткове лікування - від очних крапель до лазерної хірургії. Іноді відбувається зміщення інтраокулярної лінзи, що вимагає додаткового хірургічного втручання. Можуть виникнути й інші ускладнення, наприклад, розрив або помутніння задньої капсули кришталика, яка утримує штучний кришталик на місці. Ще одне серйозне ускладнення - ендофтальміт, поширене запалення тканин порожнини очі, яке може навіть привести до втрати зору. Частота цього ускладнення становить 1 випадок на 1000 операцій і частіше відзначається у людей з ослабленою імунною системою в поєднанні з цукровим діабетом.

За даними зарубіжної літератури приблизно у 3% пацієнтів після заміни кришталика трапляється відшарування сітківки - найчастіше це люди з подовженим очним яблуком, що буває при короткозорості. Однак деякі офтальмологи знаходять такий зв'язок спірною, так як короткозорість сама по собі вважається фактором ризику відшарування сітківки.

Мал. а - очей, вражений передній прямій катарактою; Мал. б - біфокальні інтраокулярна лінза, розроблена в Інституті автоматики і електрометрії СО РАН (Новосибірськ).

Якщо Ви після операції помітили появу перед очима спалахів світла або потемніння полів зору, слід відразу звернутися до лікаря.

На жаль, білки, що знаходяться в центральній частині кришталика, протягом життя не оновлюються, при тому, що на них діє багато різних шкідливих факторів. В першу чергу, це ультрафіолетове випромінювання сонця: ультрафіолет запускає фотохімічні реакції, що порушують структуру білків кришталика. Однак існують механізми захисту кришталика від шкідливих факторів середовища, які індукують окислювальний стрес.

Перший рівень захисту представляють кінуренін, продукти метаболізму триптофану, які грають роль ультрафіолетових фільтрів. Ці молекули поглинають більшу частину світла ультрафіолетового діапазону і переводять його в тепло, тобто позбавляються від нього без шкоди для оточуючих тканин.

У спільній роботі вчених МТЦ, Ніохим і ІЦіГ СО РАН вперше вдалося експериментально виявити в небілкових екстрактах з катарактальних кришталиків ока людини дезамінірованний глікозид гідроксікінуреніна (OHCKAG) - карбоксікетоалкена.

Це ключове активне з'єднання, що приводить до незворотних модифікаціям білків кришталика і розвитку катаракти. Тим самим автори підтвердили одну з можливих схем модифікацій білків кришталика за участю кінуренінових УФ-фільтрів, яка призводить до розвитку катаракти.

Виявлення OHCKAG дозволило експериментально показати важливість антиоксиданту глутатіону (GSH), який пов'язує активні УФ-фільтри і оберігає білки кришталика від незворотних змін. Від концентрації GSH всередині кришталика залежить якість захисту.

Ультрафіолетові (УФ) фільтри переводять світло в тепло з виходом 99%, але залишається 1% випадків, коли вони не рятують - і тоді за справу беруться антиоксиданти. Основні антиоксиданти кришталика - аскорбінова кислота і глутатіон. Як відомо, аскорбінова кислота в організмі людини та інших приматів не виробляється, а надходить ззовні. Її зміст в очах приблизно в 100-200 разів вище, ніж в крові, що говорить про те, що аскорбат в першу чергу потрібен саме цього органу.

Аскорбат встає на захист кришталика в той момент, коли молекула, що поглинула квант світла, переходить в реакційне тріплетное стан і вступає в реакцію з білками кришталика: «відбирає» електрон у будь-якої амінокислоти. Тоді на цьому місці утворюється радикал, який братиме участь в подальших хімічних реакціях, що може привести до пост-трансляційної модифікації білка кришталика. В результаті саме цього процесу білки кришталика жовтіють - це один з головних ознак катаракти. Аскорбат здатний гасити триплетні стану, запобігаючи утворенню радикалів білкових молекул. Якщо аскорбат не впорався, і радикал все-таки утворився, то в «гру» включається другий антиоксидант - глутатіон, який вміє відновлювати радикали до вихідного стану:

Ось така багатостадійна система захисту кришталика ока працює в нашому організмі, і працює добре, правда, до пори до часу.

Кінуренін, здатні зі стовідсотковою ефективністю захищати кришталик ока від ультрафіолету, термічно не зовсім стабільні. При температурі 37 ° C протягом тижня кінуренін може розкластися. Відбувається процес дезамінування, коли з молекули видаляється аминогруппа і утворюється карбоксікетоалкен - з'єднання з подвійним зв'язком, яке легко і швидко ковалентно приєднується до білків кришталика. Білку «стає погано», адже тепер светопоглощающую елемент «сидить» прямо на ньому. Це одна з найпоширеніших модифікацій білків кришталика і один із шляхів розвитку катаракти. Тобто, УФ-фільтри можуть не тільки допомагати, але і в певних умовах шкодити оці. Втім, поки захист очі працює ефективно, до цього справа не доходить: глутатіон, зустрічаючи карбоксікетоалкен, швидко чіпляється до його подвійного зв'язку, не даючи з'єднанню «сісти» на білок.

Вікова катаракта характеризується процесами окислення і пост-трансляційних модифікацій Кристалін - білків кришталика. Викликані окислювальним стресом модифікації накопичуються з віком і призводять до фарбування, агрегації білків, виникнення численних перехресних зв'язків і втрати розчинності. Фарбування пептидних ланцюгів і виникнення перехресних зв'язків говорить про те, що модифікації білків обумовлені їх реакціями з невеликими молекулами.

Молекула, що поглинула квант світла, може переходити в реакційне тріплетное стан, вступати в реакцію з білками кришталика і «відбирати» електрон у будь-якої амінокислоти, тобто, окисляти її. Мᴼˣ - окислений метіонін, Wᴼˣ - окислений триптофан).

Протягом багатьох років причиною розвитку катаракти вважався процес накопичення модифікацій білків через не завжди коректно спрацьовує захисту. Втратили свої структурні властивості і розчинність в воді білки утворюють агрегати, які випадають в осад. Розміри цих агрегатів стають такими великими, що вони вже розсіюють світло. В результаті кришталик мутніє.

Але ця гіпотеза не пояснює двох речей. По-перше, чому, якщо модифікації досить ефективно накопичуються у всіх людей, у одних катаракта розвивається до 40 років, а інші і в 70 прекрасно бачать (кришталик, звичайно, втрачає гнучкість, але не мутніє). По-друге, дослідження показують серйозні відмінності білкового складу кришталиків молодих і літніх людей, але навіть в зміненому, «постарілий» стані білки можуть залишатися водорозчинними.

Профілактика катаракти - «підгодувати» епітелій кришталика ока

Будь-яка біологічна тканина складається з макромолекул - білків і нуклеїнових кислот, а також води і безлічі малих молекул, що складають метаболіт - це і продукти метаболічних реакцій, і фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій, і «будівельний матеріал». В принципі, метаболомний складу будь-якої тканини більш-менш постійний. Але в разі розвитку патологій в ньому можуть відбуватися характерні зміни. Одне з важливих напрямків розвитку метаболомікі - профілювання тканин для пошуку біомаркерів різних захворювань. У лабораторії протеоміки та метаболомікі МТЦ СО РАН ми досліджували метаболомний склад (всіх продуктів метаболізму) «молодих» кришталиків, «літніх» і кришталиків з катарактою.

Рання діагностика - принциповий момент для лікування онкологічних захворювань. Ми розвиваємо цей підхід, намагаючись з високою точністю реєструвати якомога більшу кількість метаболітів в різних тканинах людини, щоб потім можна було порівнювати ці дані у здорових і хворих. Наприклад, ми плануємо застосовувати цей підхід в дослідженнях раку молочної залози: порівнюючи склад крові здорових і хворих, будемо шукати біомаркери, які з'являються при розвитку захворювання. Цю роботу ми робимо спільно з Інститутом хімічної біології і фундаментальної медицини СО РАН, Інститутом фізіології і фундаментальної медицини та Міський клінічною лікарнею № 1.

Синтез сполук, необхідних для захисту кришталика від окисного стресу, здійснюється в метаболічно активних клітинах епітелію, які розташовуються тонким шаром на передній стінці кришталика. Саме в цих клітинах відбувається синтез глутатіону, кінуренін, основного осмоліта клітин кришталика - міо-інозитол, що дозволяє йому підтримувати необхідне осмотичний тиск. Потім ці речовини проникають у внутрішні зони кришталика.

Виявилося, що концентрація захисних з'єднань в «молодих» і «літніх» нормальних кришталиках розрізняється несуттєво, але в катарактальних кришталиках вона нижча за норму в кілька разів. Після того, як ми в 2015 р отримали ці дані, ми припустили, що помутніння кришталика викликає зовсім не довгострокове накопичення модифікованих білків, а деградація епітеліального шару, яка призводить до порушення балансу між дією факторів і захисними заходами, які епітеліальні клітини до цього забезпечували. Відбувається лавиноподібне накопичення наслідків окисного стресу і модифікацій білків.

Гістологічно в кришталику розрізняють капсулу, субкапсулярні епітелій і речовина кришталика. Капсула являє собою тонку замкнуту з усіх боків оболонку, що обволікає кришталик. Незважаючи на те, що вона являє собою єдину структуру, прийнято говорити про передньої і задньої капсулі. Під передньою капсулою, безпосередньо до неї приєднуючись, розташовується одношаровий епітелій, який простягається до екватора кришталика, де його клітини приймають витягнуту форму. Задня капсула епітелію не має.

Ми вважаємо, що для ефективної профілактики катаракти треба шукати не спосіб повернути білки кришталика в початковий стан (мабуть, це просто неможливо), а спосіб відновити, «підгодувати» епітеліальний шар. Тепер цю гіпотезу потрібно перевіряти. Над ідеєю профілактики катаракти в світі працює не одна група вчених, розглядаючи різні гіпотези, в тому числі про вплив зовнішніх чинників, таких як УФ-опромінення і окислювальний стрес на епітеліальні клітини кришталика.

У більш ранніх роботах ми досліджували весь кришталик. Зараз ми хочемо дослідити склад безпосередньо епітеліального шару на різних стадіях розвитку катаракти. В рамках цього проекту ми співпрацюємо з офтальмологічними організаціями Новосибірська: зразки епітеліального шару отримуємо з Новосибірської обласної лікарні, МНТК «Мікрохірургія ока», тісно працюємо з д.м.н. А.Ж. Фурсової і д.м.н. І.А. Іскакова.

Наше завдання - класифікувати епітелій відповідно до стадії захворювання, простежити в ньому зміни метаболомного складу. Необхідно зрозуміти, наскільки стадія розвитку катаракти пов'язана з порушенням функціонування епітелію кришталика, і таким чином підтвердити або спростувати нашу гіпотезу.

Дослідити механізми розвитку захворювань, в тому числі катаракти, можна не тільки вивчаючи прояви патології в організмі людини, але і на моделях лабораторних тварин. При цьому важливо, щоб досліджувана система органів і логіка розвитку захворювання модельної тварини були максимально схожі з людськими. Одна з моделей для вивчення катаракти - унікальна лінія передчасно старіючих щурів OXYS, виведених в Інституті цитології і генетики СВ РАН. Ця лінія підтримується вже більше 50 років завдяки її «зберігачу» - Колосової Наталії Горіславовне, д.б.н., завідуючої сектором молекулярних механізмів старіння ІЦіГ СО РАН.

На щурах OXYS ми проводили наші перші роботи, пов'язані з дослідженням катаракти, відпрацювали методики, отримали перші експериментальні дані по УФ-фільтрів в кришталиках очей тварин і по метаболомному складу кришталика. Ми приступили до роботи з людськими кришталиками вже грунтуючись на отриманих знаннях і досвіді.

Перевага роботи з тваринами в тому, що можна просто і надійно відокремити ефекти, зумовлені віковими змінами, від тих, що обумовлені способом життя - останнім важко зробити для людини. Інше питання, що одна з основних причин розвитку катаракти у людини - ультрафіолетове випромінювання і зниження кількості УФ-фільтрів в кришталику ока. З щурами інша справа, так як вони сутінкові тварини - для них ураження очей ультрафіолетом не так актуально. Але інші фактори розвитку захворювання у щурів і людей збігаються.

Ми вивчаємо не тільки метаболомний, але і протеомних складу кришталика: які білки входять до його складу, що з ними відбувається при старінні та при розвитку катаракти, які модифікації в них накопичуються. Вивчаємо властивості ультрафіолетових фільтрів і тих молекул, які утворюються при їх руйнуванні, тому що продукти розпаду кінуреніна переводять в тепло лише 20% світла, а 80% - в реакційні проміжні речовини, які можуть викликати пошкодження кришталика.

Активна речовина для сонцезахисного крему. Коли ми спільно з колегами-хіміками з Лабораторії екологічних досліджень і хроматографічного аналізу Ніохим СО РАН вели роботу по вивченню складу кінуренінових УФ-фільтрів кришталика ока людини і тварин, у нас виникло відгалуження від основного завдання. Це була ідея створення сонцезахисних речовин на основі природних ультрафіолетових фільтрів - кінуренін - в поєднанні з нітроксільнимі радикалами, які виконують функцію антиоксидантів. Ідея була реалізована в лабораторії азотистих з'єднань Ніохим СО РАН.

У процесі досліджень ми були вражені тим, як працюють ультрафіолетові фільтри кришталика. У звичайних сонцезахисних кремах після того, як молекула поглинає квант світла, вона або флуоресціює (випускає квант світла), або переходить в триплетное стан, або в ній відбуваються хімічні зміни: розриви, перебудови. Ми подумали, що природні ультрафіолетові фільтри будуть кращими, ніж ті, що використовуються в промисловості. Вони ефективні практично в 100% випадків, коли вони «скидають» енергію в тепло; гарантовано нетоксичні, у них низький ступінь фоторазложенія - а більшість молекул, які використовуються в якості поглинача світла в кремах, під дією ультрафіолету починають розкладатися.

Ми спробували створити речовину для захисту від сонця, з'єднавши дію кінуренін і нітроксільних радикалів, і отримали хороші результати (наприклад, ми отримали квантовий вихід фоторазложенія менше 1%; час життя триплетного стану для вихідних кінуренін без нітроксільного радикала становило десятки мікросекунд, а ми скоротили його до сотень наносекунд).

Але створювати такий сонцезахисний крем в виробничих масштабах - дороге задоволення. Поки не буде розроблений дешевий спосіб виробництва кінуренін і гібридних сполук з нітроксільнимі радикалами на їх основі, в масове виробництво цієї ідеї не впровадити.

Більшу частину завдань ми вирішуємо поєднанням різних сучасних методів і, таким чином, отримуємо найбільш повну картину того, що відбувається в природі. Ми використовуємо методи мас-спектрометрії, ЯМР-спектроскопії, високоефективної рідинної хроматографії, а також маємо в своєму розпорядженні установки лазерного імпульсного фотолізу і флуориметр з тимчасовим дозволом. Прекрасна технічна оснащеність лабораторії - це наша перевага, яке дозволяє нам не тільки проводити детальний аналіз хімічного складу біологічних тканин (методи ЯМР, хроматографії та мас-спектрометрії), але і досліджувати механізми фотохімічних реакцій, що моделюють реакції в живому кришталику (лазерний фотоліз і флуориметр) .

Ми самі вибираємо свою старість

Можливо, коли-небудь наука навчиться визначати, наприклад, концентрацію антиоксидантів в кришталику ока, але поки таких способів немає, а якщо і з'являться, то швидше за все будуть непростими, а значить і недешевими. На сьогоднішній день з доступних і простих способів профілактики катаракти можна порадити сонцезахисні окуляри. Так як найнебезпечніший зовнішній фактор, що впливає на очі - ультрафіолет, то окуляри потрібно сприймати не як аксесуар, а як засіб захисту очей, адже, чим старша людина стає, тим більше ризик пошкодження кришталика через зниження кількості і якості роботи його ультрафіолетових фільтрів .

І ще один банальний спосіб профілактики - здоровий спосіб життя. Дослідження залежності розвитку катаракти від фізичної активності, дієти, шкідливих звичок показали, що зв'язок є. Цікаві результати були отримані з приводу алкоголю. Виявляється, найменше страждають від катаракти люди, які вживають невелику кількість алкоголю, а не ті, що зовсім його не вживають. Звичайно, розвиток катаракти не може залежати тільки від вживання алкоголю, тут працюють різні чинники. Доведено, що впливає в першу чергу старіння організму взагалі, стать (частіше катаракта розвивається у жінок), важливу роль відіграє куріння. Але безумовно, здоровий спосіб життя - найкраща профілактика багатьох вікових захворювань. І чим раніше прийде це розуміння, тим у людини більше шансів старіти комфортно.

Структура білка дельта-Кристаллин качки. Рентгеноструктурний аналіз, Wikimedia Commons, public domain.

Ми ж продовжуємо роботу з вивчення одного з найбільш складних і тендітних органів людського організму - очі, і механізмів усіх можливих причин старіння кришталика. Зараз наше основне завдання - підтвердити або спростувати гіпотезу про деградацію епітеліального шару, ця робота займе мінімум два-три роки. Якщо виявиться, що дійсно в основі розвитку катаракти лежить деградація епітеліальних клітин, то потрібно постаратися зрозуміти, які саме метаболічні шляхи порушені, і чи можна їх відновити. Поки важко сказати, яким може бути рішення - розробка лікарських засобів для лікування епітеліальних клітин або пересадка здорових донорських клітин.

Існують і інші гіпотези механізмів розвитку катаракти - банальне накопичення модифікацій білків кришталика (незважаючи на всі захисту) або обумовлене віком уповільнення транспорту метаболітів через кришталик, що призводить до нестачі антиоксидантів і надлишку окислених продуктів. Недолік цих гіпотез - їх пессимистичность: якщо процес пішов, то зупинити його практично неможливо, і єдиний засіб - хірургічне втручання. Гіпотеза про дисфункції епітеліального шару залишає надію на можливість терапевтичного лікування ранніх стадій катаракти.

джерело:

Життя без катаракти: профілактика замість операції - Лекобоз (lekoboz.ru), Москва, 28 березня 2017.

Матеріал в форматі pdf