Как известно, Нобелевской премии по биологии не существует. Вместо этого премия выдается за достижения в области физиологии и медицины. И такая формулировка не случайна, ведь современная физиология – это прежде всего теоретическая основа медицины. Казалось бы, из этого должно следовать, что физиологи – люди приземленные, занятые сугубо практическими разработками. Однако, это не так, если говорить о физиологах Биофака МГУ. Университет – прежде всего вотчина фундаментальной науки, но несмотря на кажущуюся удаленность таких работ от практики, без сегодняшних фундаментальных исследований в области физиологии животных завтра остановятся уже медицинские разработки.
Одна из последних работ, проведенных на ББС, касалась механизмов адаптации сердца рыб к низким температурам. Оказалось, что в сердце наваги, которая как известно не только активно плавает, но и нерестится при температуре около 0°С, с наступлением зимы резко возрастает экспрессия калиевых каналов. В результате, длительность потенциалов действия в сердце снижается и рыба получает возможность ускорить сердцебиения для компенсации подавления сократительной активности в условиях низких температур.
Один из важнейших разделов физиологической науки – электрофизиология сердца. Ведь именно от стабильности электрических процессов в миокарде зависит жизнь человека, а нарушения нормальной электрической активности являются самой частой причиной смерти наших сограждан. В настоящее время исследователи используют три поколения электрофизиологических методов. Первое поколение – методики, предполагающие работу со стеклянными микроэлектродами на тканевых препаратах. Их принцип прост – в сердечное волокно с помощью микроманипулятора вводится тончайшая острая микропипетка, заполненная электролитом. При этом с помощью специального усилителя регистрируется разность потенциалов между этим микроэлектродом и электродом сравнения, находящимся в физрастворе, омывающем препарат. Однако, не так-то просто удержать кончик микроэлектрода внутри клетки, находящейся в бьющемся препарате миокарда! Эксперименты представляют собой многочасовую напряженную работу, требующую терпения, целеустремленности и крепких нервов. Вторая группа методов (patch-clamp) предназначена для работы на отдельных кардиомиоцитах, выделенных из ткани с помощью обработки ферментами. Стеклянная пэтч-пипетка, которая значительно толще микроэлектрода, присасывается к мембране клетки, после чего в данном участке мембраны делается дырка. Усилитель позволяет фиксировать мембранный потенциал на заданном экспериментатором уровне и регистрировать проходящие через мембрану клетки ионные токи. Наконец, так называемый имэджинг. Он предполагает обработку изолированных клеток флуоресцентными красителями, чувствительными к тем или иным физиологическим параметрам, например, концентрации кальция.
Легко заметить, что для современных электрофизиологических исследований нужна не только высокая квалификация, но и дорогостоящее оборудование. Возможно, что именно поэтому лабораторий, специализирующихся в этой области, в России меньше, чем пальцев на руке. Каких-то 6-7 лет назад у нашего Университета тоже не было таких специалистов, но теперь на кафедре Физиологии человека и животных плодотворно работает группа к.б.н. Галины Сергеевны Суховой, в том числе к.б.н. Владислав Кузьмин, а также к.б.н. Денис Абрамочкин и его аспирантки Анастасия Бородинова и Светлана Тапилина. За последние годы на кафедре появилось три установки для микроэлектродной регистрации, а в январе введена в строй установка patch-clamp для регистрации ионных токов.
Кроме того, кафедра получила новую электрофизиологическую лабораторию на Беломорской Биостанции МГУ. Там, где еще в 2006 году царила разруха, теперь стоят новые установки, на которых работают студенты и сотрудники кафедры. В прошлом году на ББС МГУ прошла Первая международная молодежная летняя школа по сравнительной физиологии морских животных. Учиться современным физиологическим методам приехали студенты и аспиранты из Великобритании, Франции, Сербии, Германии и других стран, чем остались очень довольны.
В отличие от московской лаборатории, на ББС благодаря наличию лазерного сканирующего конфокального микроскопа Nikon A1 удалось наладить кальциевый имэджинг кардиомиоцитов.
Медиаторами называют вещества-посредники, выделяющиеся в синапсе — том месте, где необходимо передать возбуждающий или тормозный сигнал от одной клетки к другой.
Зачем используются эти методы и в чем польза этих исследований? Основной научный интерес Д.В.Абрамочкина связан с механизмами холинергической (то есть опосредованной медиатором ацетилхолином) регуляции сердца. В качестве дополнительного направления работы группа совместно с коллегами из Финляндии и Великобритании изучает на ББС МГУ механизмы электрической активности сердца рыб.
Одно из главных достижений группы – открытие неквантовой секреции ацетилхолина в миокарде. Физиологам хорошо знаком квантовый способ секреции, который опосредован экзоцитозом везикул, наполненных медиатором, с высвобождением их содержимого в синаптическую щель. Тем не менее Бернард Катц, удостоенный Нобелевской премии за открытие квантовой секреции, описал и принципиально иной механизм выделения медиатора – неквантовый. Катц исследовал нервно-мышечный синапс лягушки, где основным медиатором является ацетилхолин. И лишь через 30 лет после этого открытия в стенах биологического факультета МГУ было выяснено, что неквантовая секреция ацетилхолина существует не только в скелетной мышце, но и в сердце. Впервые показано это было на крысе, а подтверждено – на рыбах, пойманных и исследованных на Белом море. Вскоре после этого группа мексиканских исследователей обнаружила неквантовую секрецию АЦХ и в гладкой мускулатуре.
Механизм неквантовой секреции не полностью ясен, но основных кандидата на роль молекулы, транспортирующей ацетилхолин, два: везикулярный транспортер ацетилхолина и транспортер обратного захвата холина высокого сродства. Данные группы Абрамочкина указывают на верность второй гипотезы. Возникает вопрос о физиологическом значении неквантовой секреции ацетилхолина из сердечных парасимпатических нейронов, поскольку в норме они и так непрерывно выбрасывают медиатор квантовым способом. Тем не менее, в онтогенезе существует этап, когда ацетилхолин уже синтезируется во внутрисердечных нейронах, но механизм экзоцитоза везикул в ответ на возбуждение этих нейронов еще не работает. У крысы этот период длится с 19 по 21-й день внутриуробного развития. Удалось показать, что неквантовая секреция в этот период уже происходит, а значит она является в это время единственным путем выделения ацетилхолина, оказывающего трофическое влияние на кардиомиоциты, в миокард.
Перспективы возможного практического применения этих достижений связаны с защитным действием ацетилхолина на миокард. В частности, в работах академика Л.В.Розенштрауха было показано, что ацетилхолин, естественным образом выделяющийся из парасимпатических сердечных нейронов, многократно снижает вероятность развития летальных осложнений после инфаркта. Раскрытие механизмов секреции ацетилхолина в сердце и его воздействия на кардиомиоциты позволит найти способ использовать его кардиопротекторные свойства в клинической практике.
Текст, фото: Вадим Сухов, Степан Кромсалин
