Химия и жизнь 2014 №3

Как

победить

аллергию за четыре инъекции

Л.П.Вязьмина

Все знают, что в основе аллергии лежит избыточно «агрессивный» иммунный ответ. Методы лечения могут применяться к последствиям (устранять симптомы) и к причинам

— воздействовать на базовые процессы аллергического иммунного ответа. Из этой статьи вы узнаете о новаторском подходе в этой области и о новой вакцине против аллергии на кошек.

Чем плохи IgE

Напомним основные положения. Аллерген — это антиген, вызывающий аллергическую реакцию. Антиген (сокращение от antibody-generating, «порождающий антитела») — любая молекула, которая при попадании в организм стимулирует иммунокомпетентные клетки и вызывает иммунный ответ. Как правило, антигенами бывают вещества с большой молекулярной массой, чаще всего белки.

Попавшую в организм молекулу аллергена «разрезает» на части анти- ген-презентирующая клетка (АПК). Получаются короткие пептидные фрагменты — эпитопы, которые размещаются на поверхности АПК

вкомплексе с молекулами главного комплекса гистосовместимости. В таком виде их легко распознают Т-лимфоциты, а именно Т-хелперы 2-го класса (Тh2). Они секретируют сигнальные вещества — цитокины

— и тем самым запускают реакции,

врезультате которых В-лимфоциты начинают синтезировать особые

антитела — иммуноглобулины класса E (IgE). Это обозначение прекрасно знакомо аллергикам: высокий титр IgE, иными словами, повышенное содержание этих антител, — это плохо, удалось его понизить — хорошо. Что не так с этими иммуноглобулинами?

Антитела IgE связываются с рецепторами на поверхности тучных клеток слизистых и соединительных

Фото: Юрий Викулин, фотобанк Лори

Болезни и лекарства

тканей. После этого клетки готовы реагировать на аллерген, если он повторно проникнет во внутреннюю среду организма (рис. 1). Когда это происходит и аллерген связывается с антителом IgE, тучные клетки немедленно дегранулируются (разрываются) и выбрасывают медиаторы — гистамин, простагландин D2 и другие, которые при связывании с тканевыми

вызывает вопросы. Это неудивительно, ведь даже для аллергенов, из которых готовят «фабричные» препараты, не существует общепринятых стандартов и критериев. Мерой их эффективности считается титр антител IgE, вырабатываемых организмом. Но этот показатель характеризует скорее больного, чем лекарство! Конечно, статистика может сгладить амплитуду выраженности реакции у разных людей, однако такие лекарства остаются эмпирически эффективными.

Существенный недостаток АСИТ — ее продолжительность и неудобство. Пациенту приходится проводить курс инъекций, от трех раз в неделю до раза в месяц, либо ежедневно принимать таблетку — и это на протяжении трех — пяти лет! У каждого ли больного хватит пунктуальности и терпения? Наконец, высокая стоимость терапии делает ее попросту недоступной для многих.

История успеха

«Отдаем кота в добрые руки, у ребенка аллергия!» — такие объявления постоянно появляются на форумах и в соцсетях. И котов жалко, и людей, вынужденных расставаться с любимцами, тоже. Неужели нет другого выхода?

Аллергию вызывает не шерсть сама по себе, а белки, содержащиеся в секрете сальных желез, слюне и других выделениях организма животного. Основными среди них считаются Fel d 1 (строго говоря, он гликопротеин, то есть белок с углеводным «довеском») и Fel d 4. Это не мешало бы запомнить создателям популярного сериала «Нюхач», которые наградили главного героя аллергией на кошек, но заставили сказать, что у него «аллергия на фелинин», видимо, для научного колорита. (Фелинин — низкомолекулярное вещество, производное аминокислоты цистеина, содержится в кошачьей моче и при разложении образует ее неповторимый запах, к аллергенам отношения не имеет.)

Аллергены кошек известны достаточно давно, а значит, есть возможность бороться с аллергией. Разработаны методы иммунотерапии, есть и более экзотические предложения

— например, некоторые компании продают специально выведенных гипоаллергенных кошек, в организмах которых, по заявлению продавцов, не синтезируются зловредные белки. Понятно, что стоит такое животное недешево, и все это не решает проблемы ребенка, который не хочет никому отдавать своего хоть и аллергенного, но любимого кота.

2

Зависимость высвобождения гистамина (в процентах от его общего содержания в объеме

крови) от природы эпитопов. У синтезированных пептидов способность вызывать высвобождение гистамина значительно ниже, чем у «цельного» экстракта аллергена (верхний график), а значит, и клинические проявления аллергии от вакцины будут сильно снижены

И вот совсем недавно компания «Circassia Ltd.», созданная на базе Оксфордского университета, представила ошеломительные результаты второй фазы клинических исследований синтетической полипептидной вакцины к аллергии на кошек. С моделью, методами и результатами исследования можно ознакомиться

встатье, подготовленной международной командой ученых (Margitta Worm et al., «The Journal of Allergy and Clinical Immunology», 2011, 127, 1, 89—97, 97.e1-14. doi: 10.1016/j. jaci.2010.11.029).

Способность этой вакцины устранять клинические проявления в три раза выше, чем у всех ныне известных лекарств, включая антигистаминные и стероидные препараты. Первые значительные результаты были отмечены в ходе годового исследования эффекта курса лечения. При этом курс состоял всего из четырех инъекций, сделанных

втечение 12 недель, по одному уколу каждые три недели (Randy Osborne, «Nature Biotechnology», 2013, 31, 371— 372, doi:10.1038/nbt0513-371a).

Вакцина привлекла к себе еще больше внимания, когда стали известны результаты двухгодичного исследования — удалось вдвое (на 50 %) снизить назальные и окулярные проявления аллергии (насморк и раздражение глаз). В то же время применение плацебо дало всего лишь 14,9%. Даже «на малой дистанции» — в четырехдневном исследовании лекарство не подвело, облегчив симптомы на 38,3% (13,4 % для плацебо). По словам руководителя компании Стива Харриса, это небывалые результаты не только для аллергологии, но и для иммунологии в целом.

Когда части лучше целого

Что значит «синтетическая полипептидная вакцина»? Обычные синтетические вакцины, как понятно из названия, не выделяют из природных источников, а синтезируют химически in vitrо. Они полностью копируют аминокислотную последовательность бел- ка-аллергена, но отличаются низкой эффективностью и требуют добавки дополнительного компонента — иммуномодулятора. Неудивительно: ведь то, насколько «крепко подружатся» антиген и антитело, во многом зависит от пространственной структуры белка. Синтетические белки линейны, их аминокислотные цепочки не уложены в активную третичную структуру, и это снижает их шансы стать хорошей вакциной.

В составе новой вакцины иммуномодулятора нет. Замысел кажется полностью провальным, но как же тогда создатели вакцины добились выдающихся результатов?

Идея была рискованной: что, если взять не полную последовательность белка, а его короткие фрагментыэпитопы, вроде тех, на которые разрезают натуральный белок антигенпрезентирующие клетки? Такие фрагменты распознаются незрелыми АПК. Формируется постоянный «аллергенный фон», Т-хелперы снижают секреторную активность, следовательно, синтез антител IgE идет на спад, каскад реакций с участием тучных клеток (а также их размножение) постепенно теряет былую интенсивность, симптомы аллергии не развиваются. Происходит не «перехват» уже синтезированных антител IgE, как в случае с АСИТ, а сокращение их количества в принципе. Браво!

Вкратце технология создания вакцины против аллергии на кошек выглядела так.

1. Изначально были выявлены те эпитопы кошачьего аллергена Fel d 1, которые связывались с молекулами главного комплекса гистосовместимости II на поверхности АПК и вызывали реакцию Т-лимфоцитов.

Болезни и лекарства

2.Эпитопы — фрагменты белка получили in vitro методом твердофазного пептидного синтеза. Далее с помощью теста in vivo отобрали эпитопы, которые привлекают определенную разновидность Т-хелперов 2 (Тh2). Секреторные продукты именно этих Т-хелперов запускают реакции, приводящие к синтезу IgE. Кроме того, для каждого из эпитопов проверили, насколько сильно они влияют на высвобождение гистамина. Все синтетические пептиды давали очень слабую реакцию по сравнению с природным аллергеном (рис.2), так что из них выбирали наиболее сильно сенсибилизирующие.

3.Отобрав «элиту», сформировали вакцину — набор из семи пептидов, каждый из которых содержит один или два Тh2-активирующих эпитопа.

Итак, новая вакцина разом устранила основные недостатки АСИТ:

—она не дает побочной реакции, аналогичной самой болезни, как в случае с применением цельного аллергена;

—время лечения и число инъекций сильно сокращаются;

—синтетический путь получения вакцины позволяет снизить ее стоимость, сделать доступной для большего числа больных.

В перспективе это огромная помощь людям, которые страдают от аллергии во время цветения деревьев и трав, при встрече с кошкой или пылью...

Сейчас на основе описанного метода компания разрабатывает вакцины

каллергиям на травянистые растения, клеща домашней пыли и пыльцу сорняка амброзии, а также создает альтернативные схемы терапии и лекарственные формы. Пожелаем оксфордским ученым успешных исследований, а затем — благополучного внедрения новых препаратов в медицинскую практику.

Винная

химия

А.А.Бондарев

такая дегустация вина — это искусство, а не наука. Есть и другие, в которых доля объективного научного знания существенно выше, например дегустации, цель которых — установить качество товара (оливкового масла, чая). В случае благородного алкоголя мы имеем дело с так называемой гедонистической дегустацией, то есть не с оценкой качества, а с характером конкретного вина, терруаром (местом, где был выращен виноград), ожидаемыми региональными особенностями и выдержкой.

Однако и здесь химия — непосредственный участник дегустации, и она позволяет взглянуть на весь этот ритуал с другой стороны. Ведь дескрипторы (так называют термины, которыми описывают и характеризуют вино), используемые дегустаторами, взяты не произвольно, а имеют под собой химический базис.

Ароматные вина

Начнем с ярко выраженных ароматных вин. Вина из различных сортов муската (белый, александрийский, оттонель и т. д.) часто не удостаиваются внимания дегустаторов как раз по причине своего немного прямолинейного характера. Аромат у них характерно-сортовой, то есть вполне узнаваемый, и стабильный. Мускаты обязаны своим ароматам терпеноидам, в основном линалоолу (встречается также в апельсине, манго, базилике, лаванде), гераниолу (гераневое и розовое масла) и его цис-изомеру неролу (розовое и бергамотное масла). Эти вещества относят к так называемым первичнымароматам—онисодержатся в самом винограде и переходят в вино при его производстве. Все эти терпеноиды также часто присутствуют в специях и ароматах цветов, соответственно и вина из муската имеют эти же ароматные ноты. С другой стороны, аромат муската настолько характерен, что можно сказать: мускат пахнет мускатом.

Не столь однообразным, но все же вполне узнаваемым ароматом и характером обладают вина из сортов гевюрцтраминер (белый виноград, растущий на востоке Франции, в Эльзасе, и Германии) и торронтес (белый виноград с уникальным вкусом, распространенный

вАргентине). Их описание практически всегдасопровождаетсятакимидескрипторами, как личи, роза и тропические фрукты. Оказывается, не случайно — на молекулярном уровне есть несколько соединений, определяющих аромат и вина, и продукта, с которым мы его сравнивают. Среди них выделяются два характерных: розоксид и оксид нерола, а также более распространенные в вине, но не менее важные для запаха этих сортов — линалоол и бета-дамасценон.

Розоксид (в основном изомер (4R,2S)-(-)-цис розоксид) — главный характерный компонент аромата плодов личи (Litchi chinensis). Сравнивать аромат вина с розой сложнее, хотя бы потому, что вариантов аромата розы огромное количество (см. «Химию и жизнь», 1985, № 8). Но если говорить о привычном нам запахе роз, используемом в парфюмерии и, например, в розовой воде (это групповой аромат видов Rosa centifolia и Rosa damascena), то в них присутствуют три вещества из нашей четверки — розоксид, линалоол, бета-дамасценон. Последний и доминирует в аромате розы. А торронтес — чемпион по содержанию оксида нерола с цветочно-зеленым ароматом, которого в нем в 20—40 раз больше, чем

вгевюрцтраминере.

Другие сорта белого винограда уже не так прямолинейны. Возьмем французский сорт совиньон блан, распространившийсявНовомСвете.Ввинахизэтого виноградадоминируютдвегруппыхимических веществ, которые подавляют друг друга.Этогруппапиразиновспреобладающим 2-метокси-3-изобутилпиразином и группа серосодержащих молекул во главе с 4-метил-4-меркаптопентан- 2-оном. Первый из них придает вину характерную ноту болгарского перца, в

Еда по-научному

котором он также присутствует. Кстати, такой аромат свойствен и красному сорту каберне совиньон, эта сенсорная характеристика очень чувствительна к концентрации — если данного пиразина много, то аромат получается слишком травянистым.Концентрациямеркаптанов такжесильновлияетнаароматвина,причемноты,которымиихописывают,варьируют от приятных ароматов крыжовника, смородины, маракуйи и гуавы до запаха кошачьей мочи. Правда, сам 4-метил-4- меркаптопентан-2-он,несмотрянахарак- терныйароматсмородиныикрыжовника, вэтихпродуктахненайден.Втовремякак другой меркаптан, отвечающий за запах кошачьеймочивсовиньоне(3-меркапто- 3-метилбутан-1-ол),действительнообна- ружен в кошачьей моче.

Среди красных вин таких прямолинейныхсортовнет.Исключениемможносчитать известный у нас сорт изабеллу и его американских родственников из менее распространенного вида винограда Vitis labrusca (и его гибрида с культурным виноградомVitisvinifera).Помимостранного «кислогозапаха»(foxinessнаанглийском), которыйсложнообъяснить,вароматеизабеллыпреобладаетметилантранилат— однаизключевыхмолекул,ответственных за различие запахов лесной и садовой земляники.Приятныйаромат,нодлявина слишком однообразный.

У великих красных сортов винограда есть какие-то ожидаемые ноты. В учебниках для начинающих любителей вина написано:кабернесовиньон—эточерная смородинаизеленыйперец,мерло—это красные фрукты (слива, вишня), сира, или шираз — черный перец и другие специи, и так далее. Имеют ли эти описания какой-то химический базис? Несомненно, однако не всегда очевидно, что в вине и в продукте, с которым мы его сравниваем, присутствует одно и то же химическое соединение.

Аромат перца в ширазах — характерный и поразительный пример. Подмечено, что австралийским винам из сорта шираз (сира — его французское название) свойствен запах черного перца. Конечно, виноделы были заинтересованы в идентификации молекулы, ответственной за этот аромат. Только сначала все думали, что одно соединение искать бесполезно, поскольку это смесь нескольких веществ. Но виноделам повезло: они обнаружили тяжелый сесквитерпен ротундон с запахом черного перца, а потом его нашли и в самом растении Piper nigrum. Это важно, поскольку, определив характерную молекулу, ученые могут подсказать условия культивации лозы, при которых в винограде увеличится концентрация ротундона.

Авот с ароматом черной смородины

вкаберне совиньон уже гораздо сложнее. Предполагают, что в смородине и

ввине разные молекулы ответственны за черносмородинный аромат. В вине это 4-метил-4-меркаптопентан-2-он и родственные меркаптаны — те самые, что придают ноту крыжовника белому совиньону. В смородине другой состав меркаптанов, но помимо этого в ней важную роль играют терпены и нитрилы.

Во всех других великих красных сортах винограда, таких, как пино нуар, темпранийо, неббиолло, характерных молекул, по-видимому, нет, и все определяется удельной концентрацией множества сложных эфиров, терпенов, серосодержащих молекул, лактонов и других соединений.

Технологические ароматы

Особняком стоят вина, аромат которых определяется в первую очередь технологией, а не сортом винограда. Для них часто можно определить молекулы,

которые ответственны за их ароматы, и они же присутствуют в продуктах, с которыми их сравнивают.

Например, хересы. Упрощая, можно сказать, что хересы имеют две характерные разновидности — фино и олоросо, и одну промежуточную — амонтийядо. Фино — это вина, прошедшие дополнительный этап созревания под дрожжевой пленкой, образованной особыми видами Saccharomyces cerevisiae, способными питаться компонентами крепленого вина. Исследования показывают, что на разных стадиях в процессе могут участвовать разные популяции и виды дрожжей. Помимо того что дрожжи образуют плотную пленку на поверхности вина и препятствуют окислению вина кислородом, они сильно изменяют его ароматический профиль продуктами своей жизнедеятельности и распада. Схожую технологию используют (и соответственнополучаютсхожиеароматы) во французских желтых винах. Для фино характерен запах ацетальдегида, который накапливается по мере выдержки вина. Запах зависит от его концентрации: в небольших количествах он характеризуется или как зеленые яблоки, или как гнилые яблоки с тонами сена. В зеленых яблоках ацетальдегид также служит ароматическим компонентом. Еще он содержится в йогурте, хлебе и кофе. Помимо всего, ацетальдегид — это исходное вещество для образования других важных для аромата хересов компонентов, таких, как сотолон и 1,1– диэтоксиэтан (имеет эфирный, слабофруктовый, хересный запах).

Другая разновидность хереса, олоросо, созревает с доступом к кислороду, поскольку бочку в процессе выдержки заполняют не до конца. Поэтому немного различается и химия продукта — в олоросо много диацетила и хересных лактонов, в особенности сотолона. Концентрация сотолона в олоросо в разы выше, чем в фино. По запаху он напоминает грецкий орех, жареные семена фенугрека и кленовый сироп. Сотолон имеет довольно низкий порог обнаружения, поэтому он всегда вносит существенный вклад в те продукты, в которых содержится.

Другой запах хереса олоросо, диацетил (бутан 2,3 дион), — это характерный аромат продукта ферментации лактобактерий, а именно сливочного масла и других кисломолочных продуктов (сметана, сыворотка). В них этот запах также преобладает. В хересах нет

молочно-кислой ферментации, и диацетил образуется через кислородное окисление. Тем не менее для хереса характерен тот же сливочно-ореховый аромат. Кстати, диацетил — продукт еще одного технологического процесса, обычного для красных вин и иногда применяемого для белых, — яблочномолочной ферментации. Американские вина из сорта шардоне известны своей текстурой и сливочным ароматом, за которую ответствен именно диацетил.

К технологическим ароматам можно отнести и ароматы, образующиеся после бочковой выдержки. В первую очередь это ванилин, который определяет и запах ванили. В вино ванилин попадает, экстрагируясь из обожженной бочки (ванилин и родственные ему соединения образуются из лигнина при обжиге дуба), и этот запах очень характерен для многих красных вин.

Некоторые красные вина — особенно этим славятся вина из долины Роны во Франции — проявляют ноты копченого бекона, гвоздики, потного конского седла и скотного двора, то есть необычные для вина животные ароматы. И как бы ни хотелось виноделам приписывать эти ноты особому терруару, это, по сути,

технологические ароматы, а точнее недостатки технологии, при которой развиваются бактерии Brettanomyces bruxellensis. Результат их жизнедеятельности — запахи 4-этилфенола и 4-этилгваякола.

Не все так просто с описанием

Пока мы говорили о базовых ароматах, типичных для того или иного сорта или уникальной технологии производства. Но вино особенно ценится за его способность к выдержке и развитию новых ароматов. Некоторые вина приобретают с годами такую комплексность, что десятка дескрипторов недостаточно, чтобы точно описать глубину аромата. Здесь даже могут появиться такие термины, как коробка из-под сигар,

кожа, пепел, лакрица, кедр, кофе и другие. В этом случае по-настоящему сложно найти химическую основу. Например «кофе» — это несколько сотен компонентов, десятка два из которых обязательны для создания характерного аромата. Трудно ожидать, что в описываемом нами вине будет именно этот список в той же концентрации. С другой стороны, в вине обнаружен 2-фуранметантиол, имеющий запах жареного кофе. Может быть, и одного этого соединения достаточно, и все не так сложно.

Нет сомнений, что за любым ароматическим описанием стоит определенный химический базис, однако не всегда очевидно, какой именно. Например, что стоит за запахом кремня, обнаруживаемом в шардоне, и, кстати, когда вы в последний раз нюхали мокрые камни (у дегустаторов это стандартный дескриптор)? В 80-х годах XX века профессор калифорнийского университета в Дэвисе (США) Энн Нобл создала «колеса ароматов вина», и это стало большим прорывом, поскольку появилась объективность в описании вина. Фактически она предложила простую схему идентификации ароматов вина. Но даже в ней присутствуют странные запахи «мокрой собаки» и «медицинский». Потом и другие отрасли дегустации сделали подобные колеса ароматов.

Но бывает и наоборот: соединение в вине установлено, а его аромат описать сложно. В выдержанных винах из сорта рислинг дегустаторы часто находят тона нефти или керосина. Почему они так его называют, не совсем понятно, хотя уже и выявлено вещество, ответственное за этот аромат, — 1,1,6-триметил-1,2- дигидронафтален. Этот аромат — желательный сортовой признак, проявляющийся только при выдержке, но придумать, как его назвать, чтобы было понятно всем, совсем непросто.

Взглянув на хроматограмму вина с расшифрованными и подписанными названиями под каждым пиком, мы не сразу обнаружим те вещества, о которых говорили до этого. Самые высокие пики принадлежат совсем другим молекулам. Это сложные эфиры, такие, как

Кандидат биологических наук

Н.Л.Резник

А в этот самый день у Кенги было ужасно хозяйственное настроение. Она решила везде навести порядок и сосчитать все белье и выяснить, сколько осталось у нее кусков мыла, и сколько у Тигры осталось чистых салфеток, и сколько у Ру осталось чистых передников, так что она выставила их обоих из дому...

А.А.Милн. Винни-Пух и все-все-все.

Сон — состояние, присущее большинству животных, в том числе и беспозвоночным. Даже морские млекопитающие, для которых уснуть — значит захлебнуться, спят каждым полушарием по очереди. Сон жизненно необходим, бессонница убивает и животных, и людей. Веками ученые пытаются понять, почему это происходит, и в гипотезах не было и нет недостатка. В этой статье мы расскажем о трех.

Глимфатическое половодье

Представления специалистов о назначении сна изменяются по мере развития методов прижизненного исследования мозга. К ним относятся в том числе магнитно-резонансная томография и двухфотонная лазерная микроскопия, которые позволяют наблюдать за перемещением жидкостей и веществ в живых тканях в реальном времени. О магнитно-резонансной томографии в изучении мозга «Химия и жизнь» уже писала (2012, № 12). Суть двухфотонной лазерной микроскопии заключается в том, что в мозг вводят краситель, флуоресценцию которого периодически возбуждают двумя фотонами, энергия каждого из которых меньше энергии, необходимой для возбуждения флуоресценции. Молекула засветится лишь в том случае, если в нее попадут оба фотона, а произойти это может только в фокусной плоскости микроскопа. Метод позволяет получить четкое изображение тканей на глубину до нескольких сотен микрон, и можно без помех наблюдать за распространением светящейся жидкости.

Правда, чтобы исследовать таким образом мозг лабораторного животного, приходится проделывать в черепе окошечко для освещения флуоресцентных молекул. Но ничего, делают, потом закрывают его специальным стеклом, вживляют электроды и канюли для введения красителя, и грызуны живут со всем этим оборудованием в голове, а время от времени их помещают на часок на столик микроскопа и наблюдают.

В результате подобных экспериментов специалисты Университета Медицинского центра Рочестера (США) под руководством Мейкен Нейдегаард обнаружили «глимфатическую» систему — специфические каналы для течения спинномозговой жидкости («Science Translational Medicine», 2012, 4, 147ra111, doi: 10.1126/scitranslmed.3003748). Исследователи предположили, что система служит для очистки мозга от вредных веществ, которые накапливаются в межклеточном пространстве в результате обменных процессов.

Что такое лимфатическая система, знают все. Лимфа вбирает в себя вредные продукты метаболизма тканей из межклеточной жидкости; ее сосуды открываются в вены, по которым

все собранные «отходы» попадают в печень и почки и выводятся из организма. Чем активнее происходит в ткани обмен веществ, тем лучше в ней развита лимфатическая сеть. Но в мозге лимфатических сосудов нет, меж тем его метаболическая активность очень высока, а нейроны и глия чувствительны к внешним воздействиям. Именно с накоплением продуктов клеточной жизнедеятельности связывают развитие нейродегенеративных заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера. По мнению специалистов, основная часть патогенных белков разрушается внутри клеток мозга, однако много вредных молекул оказывается в межклеточном пространстве, и от них тоже надо избавляться. Роль очищающего раствора могла бы играть спинномозговая жидкость (СМЖ). Она высачивается из сосудистого сплетения, протекает через желудочки мозга, омывает его поверхность и снова возвращается в кровоток. Но сквозь толщу мозговой ткани ей пройти трудно, поскольку специальных сосудов для нее там нет, а диффузия идет очень медленно. Оказалось, однако, что специальный скоростной путь для СМЖ все-таки существует (рис. 1).

Спинномозговая жидкость поступает в мозг из субарахноидального пространства — полости между двумя мозговыми оболочками — и движется вдоль артерий. Сосуды окружены отростками глиальных клеток астроцитов, образующими вокруг артерий сеть, подобно тому как ветви тенистой аллеи смыкаются над дорогой. На мембранах этих выростов расположены белки аквапорины (AQP4), которые быстро пропускают в клетки молекулы воды. Через эти поры СМЖ попадает в клетку и движется от астроцита к астроциту, обмениваясь по дороге молекулами с межклеточной жидкостью. В конце концов этот «мусорный» поток достигает сосудов венозной системы и, двигаясь вдоль них, попадает в лимфатические сосуды шеи, а оттуда в печень, где отходы мозговой деятельности постигает общая участь. Поскольку отсутствие гена AQP4 у генетически модифицированных мышей на 65% ухудшает вымывание бета-амилоидов из межклеточной жидкости, исследователи предположили, что именно течение СМЖ обеспечивает очистку мозга от лишних продуктов клеточной активности. С помощью магнитно-резонансной томографии они показали, что таким путем покидают мозг от 40 до 80% крупных белков.

Эту систему исследователи назвали глимфатической за ее зависимость от аквапоринов глиальных клеток и за очищающую функцию, которая роднит ток СМЖ с лимфатической системой периферических тканей. Благодаря глимфатической системе нет необходимости организовывать в мозге отдельную мусоросжигающую фабрику, отходы его жизнедеятельности поступают в общий центр утилизации.

Специалисты нередко связывают очистку мозга со сном. Некоторые белки, присутствующие в межклеточном пространстве ЦНС и подлежащие удалению, в частности, бетаамилоиды, тау-белки и синуклеины, вызывают нейродегенеративные расстройства, которые возникают в том числе и при нарушениях сна. Известно, что эти вредные вещества накапливаются во время бодрствования, у спящих людей и животных их межклеточная концентрация меньше, а при бессоннице особенно высока. Возможно, бессонница связана с

1 Спинномозговая жидкость быстро течет по отросткам астроцитов

сквозь толщу нервной ткани, собирая по дороге шлаки

повышенным уровнем бета-амилоидов. Мейкен Нейдегаард и ее сотрудники проверили альтернативную гипотезу, согласно которой очистка от бета-амилоидов более эффективно происходит во время сна и глимфатические процессы находятся под контролем цикла «сон-бодрствование» («Science», 2013, 342, 373—377, doi: 10.1126/science.1241224).

Исследования глимфатической системы проводили на анестезированных мышах. Удобно, когда животное на столике микроскопа мирно спит. Но теперь ученые наблюдали мышей в трех состояниях: бодрствующих, спящих естественным сном и усыпленных смесью кетамина и ксилазина. Эксперимент организовали так, чтобы наблюдать течение СМЖ в двух разных состояниях активности мозга у одной и той же мыши. Поскольку предстояло работать с бодрствующими животными, их заранее приучили к лежанию на столике микроскопа, а объем и скорость введения красителей подобрали такие, чтобы не повлиять на поведение грызунов. Состояние сна или бодрствования мыши во время эксперимента постоянно контролировали с помощью ЭЭГ и электромиографии, которая определяла тонус шейной мышцы (во сне она расслаблена). Далее, когда мы будем говорить о сне, имеется в виду его медленная фаза.

Значительную часть дня мыши спят. Около полудня спящему грызуну вводили в большую цистерну мозга краситель флуо- ресцеин-изотиоцианат, ФИТЦ, обладающий сильной желтозеленой флуоресценцией, и в течение получаса наблюдали за его прохождением по мозгу с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Затем мышь будили, бережно кос-

2 В бодрствующем мозге (слева) окрашенная спинномозговая жидкость

движется вдоль кровеносных сосудов. В спящем (справа) она просачивается на значительную глубину

нувшись рукой хвоста, и повторно вводили другой краситель такого же молекулярного веса — техасский красный (рис. 2). Оказалось, что при бодрствовании поток спинномозговой жидкости сокращается примерно на 95%. Ученые повторили эксперименты с другой группой мышей. На сей раз они начали вечером, когда мыши бодрствовали, и во все время наблюдения трогали зверя за хвостик, чтобы он не заснул в неподвижности. Судя по распределению ФИТЦ, спинномозговая жидкость медленно омывала поверхность коры, практически не проникая вглубь. Спустя полчаса животных усыпили, ввели другой краситель, и он устремился в глубь мозга с такой же скоростью, что и при естественном сне.

Почему у мышей, спящих не важно по какой причине, резко возрастает ток СМЖ? В бодрствующем мозге давление крови и пульсация артерий сильнее, чем в спящем, поэтому разница в скоростях не может быть связана с пульсацией сосудов. Другое объяснение заключается в том, что во сне расширяется межклеточное пространство и жидкость по нему циркулирует свободнее. Активность нейронов сопровождается увеличением концентрации внеклеточных ионов калия, клетки из-за этого набухают, а пространство между ними сокращается. Эксперименты подтвердили, что у бодрствующих мышей объем межклеточного пространства составляет 3—15%, а у спящих 22—24%, то есть разница превышает 60%. Когда животные не спят, ткань мозга сопротивляется потоку жидкости и затрудняет ее движения, а следовательно, и удаление вредных молекул. И действительно, меченые бета-амилоиды, введенные в кору мозга, во время сна покидают ее почти в два раза быстрее, чем при бодрствовании.

Поскольку на величину глимфатического потока влияет не только естественный сон, но и анестезия, она должна быть связана не с циркадными ритмами, а скорее с состоянием «сон-бодрствование». Возможно, изменение объема межклеточного пространства регулируют нейромедиаторы, вызывающие возбуждение. Первым кандидатом на эту роль стал норадреналин, который ответствен за пробуждение коры, а также регулирует активность мембранного транспорта и работу каналов, отвечающих за объем клеток, в периферийных тканях, таких, как почки и сердце.

Исследователи ввели бодрствующим мышам смесь антагонистов к норадреналиновым рецепторам. Антагонисты связываются с рецепторами, и норадреналину сесть уже некуда, поэтому клетки его сигналы не воспринимают. В этих условиях поток СМЖ возрос до уровня, сравнимого с таковым у спящих животных, а объем межклеточного пространства увеличился с 14,3 до 22,6%. Ученые полагают, что норадреналин стимулирует нейронную активность, которая, в свою очередь, влияет на объем межклеточного пространства. Чтобы выяснить в деталях механизм расширения межклеточного пространства во сне, при анестезии или блокаде норадреналиновых рецепторов, еще нужны эксперименты.

Как эта гипотеза объясняет засыпание? Поскольку очистка мозга происходит в режиме «сон», логично предположить, что в это состояние он переходит, когда в нем накапливаются вредные метаболиты. Еще в конце 1990-х годов финская исследовательница Тарья Поркка-Хейсканен, с недавнего времени Стенберг, и ее коллеги из Гарвардской медицинской школы предположили, что переключателем служит аденозин — метаболит нейральной и глиальной активности. Его концентрация в бодрствующем мозге выше, чем в спящем, а при искусственном нарушении сна еще выше. Но стоит заснуть, и она быстро падает. Работа исследователей из Медицинского центра Рочестера объясняет, почему возможно быстрое восстановление: из-за мощного потока СМЖ.

Итак, в период бодрствования в мозге накапливаются вещества, которые необходимо своевременно удалять. Понятно, что уборкой удобнее заниматься, когда никого нет дома. И вот мозг минимизирует активность нейронов и включает проточную систему очистки на полную мощность. Даже кратковременного сна бывает достаточно, чтобы «промыть мозги».

Однако есть и другая теория, согласно которой во сне активность мозга не уменьшается, а переключается на другие объекты.

Висцеральное бессознательное

Во время бодрствования наш мозг занят анализом сигналов, поступающих из внешней среды, и реакцией на эти сигналы. Но есть еще и внутренние органы. Днем они действуют в автоматическом режиме: животное дышит, его сердце бьется, кишечник и желудок сокращаются, пищеварительные железы выделяют ферменты. Однако и эти функции нуждаются в периодическом контроле мозга. Доктор биологических наук И.Н.Пигарёв, ведущий научный сотрудник Института проблем передачи информации им. А.А.Харкевича РАН, предлагает висцеральную гипотезу сна, согласно которой нейроны спящего мозга перестают реагировать на внешние сигналы, чтобы переключиться на анализ информации от внутренних (висцеральных) органов («Журнал высшей нервной деятельности», 2013, 63, 1, 86—104, doi: 10.7868/S0044467713010115).

Не случайно животные и люди выбирают для сна мягкие, темные и тихие места, где их не беспокоят шум, свет и горошина под периной. Во время висцерального обследования мозг не должен отвлекаться на сигналы от внешних рецепторов в кору, он на них не реагирует. Мышцы во время сна расслаблены, спящий вял и неконтактен, однако нейроны его коры при этом активны.

Согласно классическим представлениям, кора разделена на специализированные зоны: зрительные, слуховые, двигательные. И трудно представить, чтобы нейроны, ответственные за обработку зрительных сигналов, анализировали также информацию, поступающую из кишечника. Чтобы проверить это предположение, автор гипотезы сравнил реакцию одних

итех же отделов коры на разные стимулы во время сна и бодрствования. Оказалось, что нейроны коры кошки, которые при бодрствовании отвечали на зрительные сигналы или контролировали движения передних лап, в период медленного сна реагируют на электрическую стимуляцию желудочнокишечного тракта, причем эта стимуляция не будит кошку, а делает ее сон более глубоким. Сразу после пробуждения

изрительные, и соматосенсорные нейроны возвращались к своим первоначальным функциям, не отвечая больше на висцеральные сигналы. Аналогичным образом вели себя нейроны зрительной коры обезьяны, а также зрительной и соматосенсорной коры кроликов.

Значительная доля знаний о функциональной организации нервной системы была получена именно с помощью метода электрической стимуляции, поэтому сведения, добытые таким способом, можно считать вполне достоверными. Однако современные технологии позволяют исследовать активность нейронов, не прибегая к искусственным стимулам. К исследованиюподключилисьспециалистылабораториикортиковисцеральной физиологии Института физиологии им. И.П.Павлова и вживили кошкам в гладкомышечные стенки желудка и двенадцатиперстной кишки регистрирующие электроды, позволяющие записывать естественную миоэлектрическую активность этих органов. Полученные данные сопоставили с активностью нейронов коры. Оказалось, что в состоянии бодрствования исследованные нейроны на сокращения желудочно-кишеч- ного тракта не откликаются. Зато в периоды медленного сна электрические импульсы значительной части нервных клеток коры совпадают по времени с миоэлектрической активностью, вызванной сокращениями желудка и двенадцатиперстной кишки. При этом они реагируют на заполнение кишечника. Когда кошкам через фистулы непосредственно в желудок вводили воду, сон животных был более глубоким и длительным, и активность нейронов коры отличалась от той, которую регистрировали у спящих кошек на пустой желудок.

Все доказательства того, что корковые нейроны анализируют сигналы от внутренних органов, были получены в период медленного сна. Однако он чередуется с быстрым, более глубоким, чем медленный. По мнению Ивана Николаевича Пига-