Биолог Подгорный объяснил, как можно управлять движениями организма извне с помощью нагрева

- Вы занимаетесь исследованиями в области термогенетики. Расскажите, что это и когда появились первые исследования, связанные с этим направлением? - Для того, чтобы выжить, любой живой организм должен каким-то образом чувствовать изменения физических и химических параметров окружающей среды. Одним из таких параметров является температура. Она очень важна для нормального протекания физиологических процессов в клетке. Это связано с тем, что большинство химических реакций в клетке настроены на определенный диапазон рабочих температур. В результате эволюции у многоклеточных организмов возникли специальные "термометры", которые чувствуют температуру и сообщают эту информацию клетке. В результате там запускаются ответные процессы, направленные на поддержание постоянства внутренней среды. Такими клеточными "термометрами" являются закодированные в геноме белковые молекулы, которые называются рецепторами. За открытие этих рецепторов Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за 2021 год. Этих рецепторов много, и они разные. Одни реагируют на разную степень нагрева, другие, наоборот, на разную степень охлаждения. У нас в организме эти рецепторы находятся преимущественно в сенсорных нейронах, чувствительные окончания которых присутствуют в коже и слизистых оболочках. Когда мы дотрагиваемся до кружки с горячим чаем или стакана с холодной газировкой, рецепторы реагируют, и в зависимости от того, какой из рецепторов (на нагрев или на охлаждение) содержится в данном сенсорном нейроне, он посылает в мозг нервный импульс, передавая нам информацию о температуре напитка. В экстремальных случаях такие рецепторы сообщают о повреждающем нагреве или о переохлаждении в виде дискомфортных и даже болевых ощущений. - Вы работаете с этими рецепторами? - Да, поскольку эти рецепторы закодированы в геноме, мы можем взять ген такого термочувствительного рецептора и поместить в нейроны центральной нервной системы, которые от природы не вырабатывают у себя такие рецепторы. Тогда эти нейроны тоже станут термочувствительными, и, нагревая их, мы таким образом извне сможем управлять их активностью, влияя на функционирование нервной системы в целом. Это и есть термогенетика. В современной науке такие экспериментальные подходы, в которых в клетки помещают гены белков, свойствами которых можно управлять извне, объединяют под общим названием – синтетическая биология. Иными словами, мы создаем клетки и организмы с полезными свойствами, которыми, к тому же, мы можем управлять. Первые эксперименты с применением термогенетики для управления функциями нервной системы стали появляться в начале 2000-х годов. Эти эксперименты проводились на плодовых мушках. В них термочувствительные рецепторы помещали в группы нейронов, которые руководят определенными формами поведения. Например, проводилась активация нейронов, которые контролируют сон. Это достигалось повышением температуры в камере, где содержались мушки. В результате увеличивалась длительность их бодрствования в темное время суток. - Какие результаты сейчас достигнуты в разных лабораториях мира в связи с развитием этого направления? - Нужно понимать, что термогенетика – это только недавно появившееся направление науки. Однако, как за рубежом, так и у нас, уже были достигнуты беспрецедентные результаты. Во-первых, оказалось, что нагревать клетки для того, чтобы их активировать, можно разными способами: с помощью инфракрасного лазера, воздействием переменного магнитного поля на клетки, на поверхности которых находятся магнитные наночастицы, а также применением фокусного ультразвука высокой интенсивности. Во-вторых, было показано, что в нейронах можно вызывать нервные импульсы с помощью ультракоротких нагревов, и результат воздействия можно увидеть на уровне целого организма в виде конкретных двигательных реакций. - Эти открытия можно применять в лечении нейродегенеративных заболеваний? - Сразу хочу отметить, что вылечить, то есть обратить вспять, нейродегенеративные заболевания с помощью термогенетики вряд ли когда-либо удастся. Дело в том, что при нейродегенеративных заболеваниях происходит гибель нервных клеток, и обратить этот процесс применением термогенетики, скорее всего, не получится. Для этого нужны другие подходы. Однако можно облегчить повседневную жизнь больного человека. Примером может выступить тремор конечностей у людей, страдающих болезнью Паркинсона. В тяжелых случаях этот синдром лишает людей возможности нормально себя обслуживать. Медикаменты не всегда дают хорошие результаты, и в таких случаях применяется так называемая глубокая стимуляция мозга. Эта процедура предполагает имплантацию электродов с помощью хирургического вмешательства в области мозга, ответственные за координацию движений. Электроды подключаются к специальному устройству, которое похоже на кардиостимулятор. Оно, следуя специальной программе, подает электрические импульсы, стимулируя области мозга. Это во многих случаях улучшает моторные функции. Благодаря термогенетике эта процедура может стать неинвазивной. Доставив термочувствительные рецепторы с помощью генно-инженерных технологий в нужные области мозга, мы сможем стимулировать там нервные клетки небольшим нагревом с помощью так называемого фокусного ультразвука высокой интенсивности. Поскольку излучатель ультразвука будет находиться снаружи, эта процедура не потребует хирургического вмешательства. - Как именно происходит доставка термочувствительных рецепторов в мозг? - Для этого мы создаем специальные вирусы, в которых закодирован нужный нам ген. Эти вирусы безопасны, они не могут размножаться в клетках после заражения и встраиваются в известное место в геноме, не нарушая его стабильности и функций. Сейчас в экспериментах на животных мы вводим такие вирусы в интересующую нас область мозга с помощью микрошприца через маленькое отверстие, просверленное в черепе. Эта процедура, конечно, является инвазивной. В научных исследованиях мы доставляем генетический элемент таким образом потому, что это проще и дешевле. Однако современные технологии позволяют доставлять генетические элементы и неинвазивно - через введение вирусных частиц в кровоток. Совсем недавно были созданы особые синтетические вирусы, которые могут проходить через гематоэнцефалический барьер (физическая и функциональная перегородка между кровотоком в сосудах и тканью мозга, которая обеспечивает избирательное проникновение веществ и препятствует прохождению клеток из крови в мозг). Такие вирусы будут доставлять генетический элемент во все клетки нервной системы, а нагревать и стимулировать определенную область мозга мы можем с помощью сфокусированного в эту область ультразвука высокой интенсивности. - Как вирусы смогут проходить через гематоэнцефалический барьер? - Мы его как бы приоткрываем для вирусов. Для этого в кровоток вводятся газовые микрокапсулы, а затем в область мозга, в которой нужно приоткрыть барьер, нужно "посветить" ультразвуком. Газовые микрокапсулы, разрушаясь под действием ультразвука, будут слегка "раздвигать" клетки, образующие выстилку кровеносных сосудов. В результате в области, подвергнутой ультразвуковому воздействию, гематоэнцефалический барьер останется на некоторое время открытым. Введенный в кровоток вирус будет проникать в ткани мозга и заражать нейроны только в нужной нам области. - Как продвинулись в области термогенетики ученые РНИМУ им. Н.И. Пирогова? - Команда ученых нашего Университета разрабатывает методы и подходы, позволяющие управлять состоянием нейронов в живом организме посредством термогенетики и метаболической инженерии. Работа проводится в рамках инновационной системы "Нейрокампус-2030", созданной в РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России как одно из направлений реализации программы "Приоритет-2030". В настоящее время мы доставляем термочувствительный рецептор человека в область мозга мышей, которая отвечает за двигательную активность. Затем мы имплантируем в эту область кусочек оптического волокна. Чтобы активировать нейроны, мы присоединяем к имплантированному кусочку оптоволокна длинный световод, подключенный к инфракрасному лазеру. Мышь выпускается на специализированную арену и свободно по ней перемещается. Когда мы включаем лазер, область мозга, куда имплантировано оптическое волокно, слегка нагревается, и мышь с термочувствительным рецептором в нейронах мозга начинает активно двигаться по арене. Тогда как на контрольную мышь, у которой в нейронах нет термочувствительного рецептора, включение лазера не оказывает никакого влияния. Наши данные, которые мы продолжаем обрабатывать, показывают успешность применения термогенетики на основе термочувствительного рецептора человека для управления активностью нейронов мозга мышей. Следующим нашим шагом будет создание генетических конструкций для доставки термочувствительного рецептора человека в определенные типы нейронов для того, чтобы выяснить их роль в таких важных функциях мозга, как память и формирование эмоций. - Зачем это нужно? - Термогенетика работает в мозге, и мы можем ее применять для фундаментальных исследований, направленных на выяснение роли тех или иных нейронных сетей в функционировании мозга. Главной целью наших дальнейших исследований является разработка и применение термогенетики к конкретным заболеваниям мозга. Так, одним из возможных применений термогенетики является неинвазивная глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона, о которой я уже говорил. Еще одним интересным применением термогенетики может стать терапия эпилепсии — тяжелого неврологического заболевания, характеризующегося неспровоцированными повторяющимися приступами судорожной активности. Примерно четверть больных эпилепсией не отвечают на традиционные методы терапии: антиконвульсанты и хирургическое изолирование очага эпилепсии. Мы полагаем, что термогенетическая активация тормозных нейронов в очаге эпилепсии станет новым методом терапии для четверти больных этим серьезным недугом. - Какие эксперименты запланированы? - В настоящее время мы занимаемся планированием экспериментов с применением термогенетики на животных моделях болезни Паркинсона и эпилепсии. Мы ожидаем, что через два-три года будут получены результаты, которые послужат серьезной основой для трансляции термогенетики в медицину. Кроме того, термогенетика может применяться не только для лечения патологий мозга, но и других органов. Например, на базе Центра Национальной технологической инициативы при Институте биоорганической химии РАН разрабатываются технологии термогенетического управления сердечным ритмом. На основе этих технологий в будущем будут создаваться устройства для неинвазивного контроля и коррекции сердечного ритма при брадикардии и сердечной недостаточности.