БЛИСК І ЗЛИДНІ АНТИОКСИДАНТІВ

<

>

2. Охарактеризуйте сьогоднішній стан тієї галузі науки і техніки, в якій ви працюєте. Які роботи останніх років ви вважаєте найголовнішими, що мають принципове значення?

3. На які рубежі вийде ваша область науки через 20 років? Які кардинальні проблеми, на вашу думку, можуть бути вирішені, які завдання будуть хвилювати дослідників в кінці першої чверті XXI століття?

Редакція звернулася до вчених і фахівців - авторам журналу - з проханням відповісти на коротку анкету "Вчора, сьогодні, завтра", маючи на увазі проблеми науки, її досягнення і перспективи на майбутнє. (див. "Наука і життя" №№ 9 , 12 , 2004 р .; і №№ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 9 , 10 , 12 , 2005 р .; № 1 , 2006) Продовжуємо публікацію відповідей.

Про антиоксиданти сьогодні знають всі. Про них пишуть не тільки в наукових і науково-популярних журналах *, але і в газетах, говорять по радіо і телебаченню. А адже ще чверть століття тому медики і біологи про антиоксиданти навіть чути не хотіли. Пам'ятаю, на початку 1970-х років я виступала з доповіддю перед великою аудиторією фармакологів. Мене запитали: "Невже ви всерйоз вважаєте, що можна давати людині як ліки речовина, яке охороняє від окислення гуму?" Я відповіла, що якщо речовина не токсична, то - так. У залі пролунав поблажливий сміх. Зараз ліки з антиоксидантною дією, в тому числі ті, що розроблені в Інституті хімічної фізики ім. Н. Н. Семенова і в Інституті біохімічної фізики ім. Н. М. Емануеля, займають гідне місце в практиці лікування опіків, інсультів, інфарктів, захворювань сітківки.

А починалося все з променевої хвороби. Кадри кінохроніки, що зафіксували жертв атомного бомбардування Хіросіми і Нагасакі, справили на мене гнітюче враження, і я стала цікавитися науковими дослідженнями в галузі радіаційної біології. Виявилося, що в розвитку променевого ураження є кілька особливостей, і одна з них - період уявного благополуччя. У тих, хто вижив після вибуху бомби, спочатку не було помітних змін здоров'я, але потім хвороба розвивалася дуже швидко. Це нагадувало хід розгалуженої ланцюгової реакції, що закінчується вибухом. У 1954 році професор біологічного факультету МГУ Борис Миколайович Тарусі опублікував книгу "Основи біологічної дії радіоактивних випромінювань", в якій висловив гіпотезу, що розвиток променевої хвороби пов'язане з ланцюговою реакцією окислення жирів клітинних мембран і що продукти цієї реакції токсичні для клітини.

Ланцюгова реакція були основним предметом досліджень кафедри хімічної кінетики хімічного факультету МГУ, де я тоді вчилася. Очолював кафедру академік Микола Миколайович Семенов, який отримав Нобелівську премію саме за відкриття ланцюгових реакцій. Завдяки гіпотезі Тарусова мені дозволили виконувати дипломну роботу по темі, пов'язаної з променевою хворобою. Для початку слід було з'ясувати, які продукти утворюються при опроміненні жирів (ліпідів) і наскільки вони шкідливі для живих організмів. Модельний експеримент був поставлений з риб'ячим жиром. Співробітники кафедри говорили, що ніколи не забудуть мою дипломну роботу - через жахливий запах. Ми помітили, що опромінений жир і не опромінений, але окислений до певної міри, однаково токсичні. Звідси випливав практичний висновок: якщо перед опроміненням забезпечити тварин антиоксидантами - речовинами, які взаємодіють з вільними радикалами і тим самим обривають ланцюгові реакції, то вдасться загальмувати окислення ліпідів і поява токсичних продуктів. І дійсно, як природний антиоксидант токоферол, так і синтетичні антиоксиданти збільшували середній час життя опромінених тварин в наших експериментах.

Принципове значення цього відкриття пов'язано не тільки з тим, що ми вперше в світі ввели синтетичні антиоксиданти тваринам, щоб захистити їх від опромінення, хоча і це було новим словом в радіобіології. Головне - ми вибирали речовини не по їх будові і не за належністю до якоїсь хімічної групі, а за здатністю взаємодіяти з вільними радикалами.

Дослідження хімії та біології антиоксидантів розгорнулися в Інституті хімічної фізики РАН. Виявилося, що вільні радикали беруть участь у розвитку не тільки променевої хвороби, а й багатьох інших захворювань, зокрема раку. А це означало, що за допомогою синтетичних антиоксидантів можна гальмувати вільнорадикальні реакції і тим самим лікувати хворобу або хоча б уповільнювати її хід. Антиканцерогенний ефект антиоксиданту дібутілоксітолуола вперше в світі виявили Н. М. Емануель і О. С. Франкфурт. З 1970 року почалися дослідження антиоксидантів як чинників, що уповільнюють процес старіння. Дивно, що зараз ідея застосовувати антиоксиданти в геронтології подається як нова і її авторство приписується зовсім іншим людям.

Проти перших робіт по антиоксидантам і вільнорадикальним реакцій в живих системах ополчилися вчені різного роду: і біологи, і медики, і деякі хіміки і фізики. "Вільнорадикальні реакції не можуть розвиватися в живому організмі, тому що вони некеровані, а для живого організму обов'язкове можливість точного регулювання", - стверджували наші опоненти. Навіть Микола Володимирович Тимофєєв-Ресовський говорив, що якби такі реакції йшли в організмі, то людина вибухав б, йдучи по вулиці. Звичайно, ця був жарт, але вона певною мірою відображала його точку зору.

Всі заперечення і скептицизм з часом були зняті. Саме розвиток біохімії і біофізики антиоксидантів йшло по шляху утвердження цього напрямку. Слід додати, що радянські вчені стали піонерами в області вільнорадикальної біології, і багато, якщо не все, отримані в той час дані зберігають свою цінність і донині.

Зараз можна з упевненістю стверджувати, що з'явилася нова наука - біологія вільних радикалів. Вже ніхто не сумнівається в тому, що антиоксиданти відіграють важливу роль в житті нормальної здорової клітини. Це універсальні регулятори складу, структури і активності клітинних мембран. Синтетичні і природні антиоксиданти знайшли застосування в кардіології, в онкології, в лікуванні нейродегенеративних і багатьох інших захворювань. Їх використовують в сільському господарстві як стимулятори росту рослин і засоби для профілактики і лікування захворювань у тварин і птахів. З'явилося поняття "біоантиоксидант", яке об'єднує речовини, що проявляють антиоксидантні властивості не тільки "в пробірці" (тобто в модельному експерименті), але і в живому організмі.

Повторне "відкриття" біологічної дії антиоксидантів на Заході в 1980-х роках стимулювало вал наукових досліджень на цю тему, за яким нахлинула хвиля комерціалізації результатів. На жаль, в цьому потоці ледь не потонули важливі закономірності, які необхідно враховувати при використанні антиоксидантів в лікувальних і профілактичних цілях. Антиоксиданти, незважаючи на свою універсальність, не панацея, а дуже тонкий регулюючий інструмент.

Ефективність антиоксидантів залежить від дози препарату не лінійно. У великих концентраціях антиоксиданти починають діяти в зворотному напрямку і не гальмують, а, навпаки, прискорюють вільнорадикальні реакції. Справа в тому, що, взаємодіючи з вільним радикалом, антиоксидант сам перетворюється в радикал, тільки менш активний. Поки таких радикалів мало, вони не є небезпечними для організму. Але якщо їх накопичується занадто багато, внесок в окислення стає вагомим. Багато що залежить від стадії хвороби, характеру вільнорадикальних процесів і початкового рівня антиоксидантів в організмі. Наприклад, одні і ті ж дози антиоксиданту можуть гальмувати канцерогенез на початковому етапі і посилювати ріст пухлин на більш пізній стадії хвороби.

Універсальність властивостей антиоксидантів і можливість позитивно впливати на перебіг найрізноманітніших нормальних і патологічних станів обертаються необхідністю точно знати природу радикалів, які викликають несприятливі зміни, концентрацію і фізико-хімічні характеристики антиоксидантів і час, коли їх треба вводити в організм. Неправильний підхід до антиоксидантної терапії може призвести до негативних результатів і тоді "блиск" успіху зміниться "убогістю" поразки.

В живому організмі діє фізико-хімічна регуляторна система, яка підтримує необхідний рівень вільнорадикальних реакцій, регулює обмін мембранних ліпідів і швидкість витрачання антиоксидантів. Як працює ця система? Якщо рівень антиоксидантів з якихось причин підвищується, то процеси окислення в клітинних мембранах сповільнюються. В результаті мембрани збагачуються ненасиченими ліпідами, які окислюються легше, ніж насичені. Збільшення окисляемости веде в свою чергу до більш швидкої витрати антиоксидантів, і всі параметри повертаються до норми. Якщо концентрація антиоксидантів падає, то процес йде в зворотному напрямку, виводячи клітку на оптимальну швидкість окислення. Існування такої системи регуляції виявлено практично у всіх вивчених внутрішньоклітинних і клітинних мембранах клітин тварин, рослинних організмів і мікроорганізмів. Зміна складу ліпідів і ступеня їх окислення призводить до зміни плинності різних верств мембрани. А це впливає на активність пов'язаних з мембраною білків - ферментів, рецепторів. Процес релаксації системи до нормального стану може займати від лічених хвилин до декількох діб.

Радіація і інші фактори, що ушкоджують можуть викликати збій в цій добре налагодженій системі регуляції. Наприклад, при променевої хвороби відбувається розрив зв'язку між процесом окислення і окислюваність ліпідів, що не дозволяє системі повернутися до норми. При розвитку атеросклерозу система працює в нормальному режимі на першій стадії хвороби. Введення хворим на цій стадії антиоксидантів усуває порушення в клітинній мембрані. А ось на третій стадії процесу відбувається розрив зв'язків в системі та необхідне призначення принаймні двох різних препаратів, один з яких впливає на швидкість окислення, а інший нормалізує склад ліпідів.

Візьмемо як приклад хвороба Альцгеймера. Велике число дослідників поділяють точку зору, що окислювальний стрес може бути або основною причиною цього нейродегенератівного захворювання, яким важливим фактором загибелі нейронів. Досліджуючи механізми хвороби Альцгеймера, ми виявили розриви зв'язків в регуляторній системі. Якщо у здорових людей при посиленні перекисного окислення ліпіди збагачуються більш стійкими до окислення фракціями, то у хворих, навпаки, збільшується частка легко окислюється жирів. Такі жири мають меншу в'язкість, стають більш текучими, і в результаті порушуються функції пов'язаних з мембранами білків. Виникає дилема - як лікувати? Якщо застосовувати антиоксиданти, в'язкість ліпідів стане ще менше, а це погано для мембранних білків. Якщо ж призначати речовини, що підвищують жорсткість мембрани, то погіршиться робота рецепторів, чутливих до ацетилхоліну - медіатора нервових сигналів. Ми знайшли вихід: синтезували "гібридні" молекули, що містять в своєму складі частини, відповідальні за блокування ацетилхолінестерази (ферменту, що руйнує ацетилхолін), за антиоксидантну активність, за локалізацію молекули в мембранах. Саме такі сполуки в певних дозах проявляють нормалізує ефект.

Вивчаючи систему регуляції в цілому, можна визначити, в яких випадках слід обійтися одними тільки антиоксидантами, а в яких потрібно комплексна терапія, в якій крім антиоксидантів застосовуються і інші біологічно активні речовини. Певною мірою ця вимога може бути задоволена завдяки синтезу гібридних хімічних сполук, що поєднують антиоксидантну активність зі здатністю до структурних взаємодій з біосистемою. До такого типу відносяться так звані поплавкові з'єднання, які прикріплюються до поверхні клітинної мембрани, тобто надають лікувальну дію саме там, де це необхідно. Такі ліки мають широкий спектр біологічної активності - антимікробної, антивірусної, анальгетичної та т.д.

На мій погляд, перспективи подальшого дослідження і застосування антиоксидантів в чому пов'язані з їх активністю в малих дозах. Інтерес до малих доз спалахнув, коли співробітники Інституту біохімічної фізики РАН разом з колегами з Інституту психології РАН, вивчаючи вплив антиоксидантів на електричну активність ізольованого нейрона виноградної равлики, отримали досить несподіваний результат. Первісна доза препарату була досить токсичною, тому довелося перейти на менш концентрований розчин. Доза на чотири порядки нижча від первісної виявилася не тільки менш токсичною, але і більш ефективною. Подальше зменшення концентрації призвело до ще більшого зростання ефекту, він досягав максимуму, а потім знижувався.

Виявилося, що подібний ефект не окремий випадок, а досить поширене явище. Його дають антиоксиданти різної будови, протипухлинні агенти, радіозахисні препарати, інгібітори і стимулятори росту рослин, нейротропні засоби, гормони, адаптогени, імуномодулятори, детоксиканти, а також фізичні фактори, зокрема радіація. Рівень біологічної організації, на якому проявляється дію надмалих доз біологічно активних речовин, також дуже різноманітний - від макромолекул, клітин, органів і тканин до тварин, рослинних організмів і навіть популяцій. Природа цього феномена поки не цілком ясна. Можливо, слід шукати аналогії з впливом пахучих речовин і феромонів (див. "Наука і життя" № 7, 2005 р - Ред. ), Які тварини здатні відчувати в мізерно малих концентраціях.

Незважаючи на безліч неясностей, вивчення дії малих доз антиоксидантів обіцяє великі перспективи в практичному плані. Взяти хоча б захист від тривалого низькоінтенсивного опромінення. Класичні радіопротектори в таких випадках малоефективні: по-перше, через токсичність їх не можна приймати тривалий час, а по-друге, радіація низької інтенсивності діє на організм інакше, не так, як висока одноразова доза. Не менш цікава задача застосування антиоксидантів в малих дозах в геронтології, а також у профілактиці онкологічних захворювань.

Майбутнє антиоксидантів і новий сплеск інтересу до них пов'язані, на мій погляд, також з встановленням ролі антиоксидантів в експресії генів, їх впливу на стабільність геному. Адже вільні радикали, як тепер вважається, регулюють активність генів, а значить, на цей процес можна вплинути за допомогою антиоксидантів.

21 грудня 2005 року.