К счастью, эта история закончилась для всех благополучно: дыхание и сердцебиение везучего коллекционера нарушал лишь легкий испуг. Уже на следующее утро все симптомы прошли, укушенный в палец ценитель раковин отправился домой, а медики сели писать статью — о первом в медицинской практике случае отравления ядом корончатого конуса.
Бразильскому коллекционеру и правда несказанно повезло. Если бы в его руках оказался не мирный карибский Conus regius, а его своенравный индо-тихоокеанский родич Conus geographus, раковина, найденная им в тот день, легко могла бы стать его последним трофеем.
Моллюски рода Conus — абсолютно фантастические существа. Щедрая на выдумки природа вооружила их настоящей гарпунной пушкой. Типичная для всех брюхоногих моллюсков костная терка-радула, выполняющая роль челюсти, превратилась у конусов в кассету острых костных гарпунов — во время охоты один из таких гарпунов подается в мускулистый хоботок, сокращение которого вонзает гарпун в тело жертвы. Чаще всего это рыба, легкомысленно проплывающая вблизи затаившегося моллюска. Но самое потрясающее во всей этой истории — яд, которым перед выстрелом моллюск заправляет особую полость в своем гарпуне.
Начинка этого оружия — невероятный коктейль из примерно 1000 различных белков! К пущему восторгу биохимиков-токсикологов, оказалось, что этот яд еще и крафтовый — его состав индивидуален не только для моллюсков разных видов (коих насчитывается более 500), но даже для собратьев по виду с рифов напротив.
Брюхоногие моллюски неторопливы, и конус не исключение. Поэтому главная функция его яда — сделать так, чтобы у жертвы не было ни сил, ни желания что-либо делать после укола гарпуном. Жертва должна быть качественно обездвижена и обессилена, а для ее полного спокойствия — еще и обезболена. Обессиливают такие неожиданные, с точки зрения токсиколога, компоненты яда, как инсулин, лишающий несчастную рыбку свободной глюкозы в крови и сил к сопротивлению. А вот за обездвиживание и обезболивание отвечает целая палитра коротких пептидов-нейротоксинов, блокирующих различные нейрорецепторы жертвы.
Боль идет по проводам
Обезболивание было и остается одной из самых необходимых и одновременно сложных задач в медицине. Традиционные противовоспалительные препараты и мощные опиоиды работают не всегда, а иногда и вовсе смертельно опасны для пациента. Тогда на первый план выходят нейротоксины — самые смертоносные соединения в природе, взятые на вооружение такими созданиями, как конусы.
Боль абсолютна необходима для нашего выживания. Циничная стерва-эволюция позаботилась о том, чтобы любое поползновение к разрушению организма вызывало у нас острый дискомфорт и невыносимое желание прекратить это опасное для благополучия наших эгоистичных генов начинание.
В диком-предиком мире очень дикой природы сложно перебрать с вопросом личной безопасности, поэтому в войне генов за выживание оказываются хороши все, даже самые крайние и беспощадные к своему организму-носителю средства. Пусть чувство боли регулярно доставляет животному страдания, зато оно делает его осторожнее и когда-нибудь обязательно спасет ему жизнь.
В результате боль в широком смысле стала бессменным спутником существ со сколь-нибудь сложной нервной системой, и испытываем мы ее практически по любому удобному поводу.
Неудивительно, что во все времена борьба с болью была главной заботой медиков. За прошедшие 100 лет более или менее осмысленного существования фармакологии исследователям удалось продвинуться в разрешении этого наболевшего вопроса. Сегодня в любой аптеке нам предложат внушительный набор обезболивающих, и все эти бесчисленные аспирины, ибупрофены, парацетамолы и прочие кетопрофены имеют более или менее одинаковый механизм действия. Они блокируют различные виды циклооксигеназ, ферментов, синтезирующих простагландины — важнейшие регуляторы воспаления.
Ваши душевные муки упомянутые препараты вряд ли облегчат, но с большинством бытовых страданий вроде боли от потери очередного зуба мудрости они расправляются на ура. Но, к сожалению, работа врачей не ограничивается больной головой и растянутыми связками, поэтому во многих случаях приходится прибегать к опиоидам.
Эти вещества до сих пор остаются самыми мощными средствами в арсенале современной медицины, как и полтора столетия назад. Когда-то выделенный из опийного мака морфин дал начало целому семейству веществ — активаторов опиоидных рецепторов. В норме эти рецепторы активируются под действием естественных эндорфинов — тех самых «гормонов счастья», как известно, имеющего заметный обезболивающий эффект. Но кроме подавления боли различные типы опиоидных рецепторов занимаются еще кучей важных дел — управляют центрами отрицательного и положительного подкрепления гипоталамуса, они же работают в дыхательном центре продолговатого мозга и в стенках кишечника, управляя частотой дыхания и перистальтикой. Из-за того что опиоидные рецепторы вовлечены в такое множество физиологических процессов, их агонисты, опиоиды, имеют невероятное количество побочных эффектов. От сравнительно безобидного нарушения перистальтики до внезапной смерти от остановки дыхания и ужасов опиоидной наркомании.
Тему плюсов и минусов опиоидных обезболивающих можно обсуждать очень долго. В то же время сейчас обойтись без них абсолютно невозможно. Но можно ли хоть в перспективе попытаться чем-то их заменить? Тут мы возвращаемся к конусам, мастерски готовящим смертельные коктейли для своих жертв.
Эти яды — идеальный ресурс для поиска потенциальных обезболивающих. Еще в середине 80-х из яда смертельно опасного географического конуса был выделен ω-конотоксин GVIA, мощный блокатор кальциевых каналов N-типа. Не вдаваясь в подробности, скажем, что некоторые подтипы этих рецепторов сидят на проводящих болевые импульсы нейронах спинного мозга. Их активация приводит к выбросу субстанции P — вещества, которое можно считать воплощенными болью и страданием. Блокирование кальциевых каналов N-типа разрушает «дорогу боли», останавливая болевой импульс еще до входа в головной мозг. В то же время необратимость связывания этого токсина с рецепторами приводила к ряду побочных эффектов, не позволив сделать из него обезболивающее.
Вскоре из другого конуса — Conus magnus был выделен менее ядреный ω-конотоксин MVIIA. При крайне низкой токсичности и умеренных побочных эффектах он не мог не быть замечен фармакологами и уже середине 2000-х вышел на рынок под торговой маркой Prialt. Обезболивающее действие препарата оказалось в 1000 раз сильнее золотого стандарта анальгетики — морфина, и он абсолютно не вызывал привыкания. Можно было подумать, что воплотились мечты поколений медиков, но оставалась одна небольшая проблема... У крупного пептида в 25 аминокислотных остатков нет абсолютно никаких шансов пройти через гемато-энцефалический барьер — демаркационную линию, отделяющую нежные ткани нашей центральной нервной системы от всего того, что периодически оказывается в нашей крови. Решение тут лишь одно — введение препарата прямо в спинной мозг, что возможно лишь в условиях стационаров.
Боль как привычка
Несравнимо более сложной задачей медиков остается лечение нейропатической боли, при которой болевой синдром вызывается нарушением работы самой системы болевой чувствительность. Именно такие осложнения возникают примерно у 20% пациентов, проходящих курс химиотерапии. Изменения в отростках сенсорных нейронов, ответственных за передачу болевых импульсов, приводят к тому, что боль создается теми стимулами, которые в норме не должны ее вызывать. Это явление называют аллодинией. При этом абсолютно безобидное прикосновение, холод куска мороженого или тепло кружки кофе вызывают интенсивные боли. Причина этого загадочного синдрома до конца не понятна, но есть предположение, что химиотерапевтические препараты повреждают митохондрии отростков нервных клеток.
Митохондрии — главные энергетические подстанции клетки. А самая «жирная» статья энергетических расходов нейронов — поддержание разницы потенциалов на мембране (заряда мембраны). Дефицит энергии приводит к тому, что нейронам становится все труднее поддерживать необходимую разницу потенциалов на мембране, и, падая до порогового значения, она спонтанно приводит к развитию потенциала действия — нервного импульса, в данном случае воспринимаемого мозгом как болевой.
И тут на помощь снова выходят токсины. Остроумная модификация конотоксина Rg1A, в котором исследователи заменили несколько аминокислот, полностью купирует у мышей нейропатическую аллодинию, вызванную введением химиотерапевтического препарата оксалиплатина. Судя по всему, этот сравнительно короткий, а значит, относительно удобный для химического синтеза конотоксин блокирует никотиновые ацетилхолиновые рецепторы альфа 9-типа, одну из новых и перспективных мишеней анальгетиков.
Вообще, воздействие на нейроны, которые отвечают за проведение и обработку нервных импульсов внутри мозга, кажется гораздо более универсальным методом борьбы с хроническими болями. Если уж причины, по которым сломанные сенсорные нейроны пылают болевыми импульсами так разнообразны, то, может быть, имеет смысл воздействовать не на них, а на вышестоящий этаж иерархии нервных клеток? Можно ли просто разрушить сам источник хронической боли, хотя бы заставить его замолчать на длительное время? Судя по всему, можно. И в этом нам могут помочь самые смертоносные вещества на земле — бактериальные токсины.
Убийственные клостридии
Самыми смертоносными токсинами на Земле эволюция наградила ничем не примечательный род бактерий — Clostridium. Эти невзрачные обитатели почвенного перегноя занимают верхние строчки в рейтинге ядовитости живых существ. По значению LD50 (дозы, вызывающей смерть половины подопытных животных) на первом месте оказалась Clostridium botulinum c ее ботулиническим токсином, а на втором — Clostridium tetani, возбудитель столбняка. Оба яда — невероятно сложные белки, проникающие внутрь синаптических окончаний нервных клеток и препятствующие выбросу нейромедиатора. Из-за того что действующая часть токсина — фермент, на выведение из строя одного синапса в теории может хватить одной-единственной молекулы, проникшей в клетку. К слову, решительно непонятно, зачем клостридиям понадобился настолько сложный, специализированный и чудовищно эффективный инструмент убийства животных. Быстро разделавшись с хозяином, они даже не могут толком воспользоваться плодом злодеяния и заселить его бренный труп. Слишком мало клостридий хватает для смерти хозяина, а потом маленькие убийцы просто не успевают колонизировать освободившуюся территорию и проигрывают в борьбе с другими бактериями-интервентами.
Но давайте вернемся к механизму действия этих смертельных причуд природы. Токсин ботулизма состоит из двух ковалентно связанных друг с другом полипептидных цепей — тяжелой и легкой. Тяжелая цепь, сама состоящая из двух доменов, связывается с мембраной нервных клеток и обеспечивает проникновение через нее всего белка. После этого связь между двумя цепями разрушается. Легкая цепь — фермент-протеаза, который разрезает одну единственную пептидную связь в белке SNAP-25, полностью выводя его из строя. И все бы ничего, но SNAP-25 критически важен для выброса из синапсов нервных клеток пузырьков с нейромедиаторами. Нет выброса нейромедиатора — нет и передачи сигнала. То есть теоретически одна молекула ботулинического токсина запросто может на очень долгое время прервать передачу нервного импульса через синапс. Должно быть, вы уже поняли, какую службу это может сослужить медицине.
Исследователи это поняли. И уже давно. Блокируя выброс медиатора из нервного окончания, токсин ботулизма способен выключить его на много месяцев подряд. Лишь бы доставить его в в нужный синапс да не перебрать с дозой, чтобы не убить пациента. И тут самое время вспомнить про ботокс — разведенный до ничтожной концентрации токсин ботулизма, инъекции которого в мимическую мышцу качественно и надолго (до шести месяцев) ее расслабляют, разглаживая мимическую морщину над ней. Ну а если точечно доставить токсин в клетки, проводящие болевые импульсы? Идея непростая в реализации, но многообещающая.
Именно по этому пути пошли авторы работы, недавно опубликованной в журнале Science Translational medicine. Взяв из структуры природного токсина ботулизма лишь легкую цепь протеазы и транслокационный домен тяжелой цепи (тот, что проносит белок через мембрану), ученые привязали все это через белковый переходник с молекулой, которая будет специфично связываться именно с теми нейронами, которые нужно «заткнуть». Перебрав с десяток таких молекул-курьеров, исследователи получили целую галерею конструкций, подходящих для избирательного выключения самых разных нейронов. Для тестов на мышах были отобраны те две конструкции, которые «наводились» на цель прицепленными к токсину молекулами дерморфина и субстанции P. Вы наверняка уже заметили, что название первого вещества явно похоже на морфин, и это не случайность. Оно связывается с опиоидными рецепторами μ-типа, так же как и морфин, но намного избирательнее. А второе вещество — нейромодулятор, отвечающий в основном за увеличение болевой чувствительности, поэтому рецепторы, с которыми оно связывается, как раз и находятся на нейронах, передающих болевые импульсы.
Конечно, размер полученных белковых конструкций полностью лишал их каких-либо шансов на прохождение через гемато-энцефалический барьер. Однако сложное введение в спинно-мозговой канал полностью компенсируется сроком действия такого обезболивающего: фантастическая активность и стабильность токсина ботулизма позволяют ему блокировать нейроны на протяжении десятков дней. В опытах на мышах такая обезболивающая терапия уверенно действовала больше 10 дней, не показывая токсичности или каких-либо побочных эффектов. Понятно, что до применения столь необычных обезболивающих на людях должны пройти годы исследований, но сам подход к долговременному «затыканию рта» нейронам болевой чувствительности выглядит очень перпективным.
Во всех упомянутых исследованиях хорошо читается общий тренд развития фармакологии. Современная фармакотерапия зародилась чуть больше ста лет назад, с создания препаратов на базе сравнительно простых, мелких молекул. Именно эти простые молекулы и оставались основой большинства препаратов в течение века. Однако в последние десятилетия ракетоподобный прогресс биотехнологий дает нам власть играть со все более сложными молекулами. Сначала это были генно-инженерные гормоны вроде инсулина, затем антитела, и вот очередь добралась до белков-нейротоксинов и биоинженерных конструкций на их основе. В эту же восходящую кривую сложности лекарств ложатся и первые громогласные успехи генной терапии, CAR-T-клеточных технологий, и наконец-то вышедшие в жизнь РНК-препараты. Похоже, что точность и направленность действия постепенно начинают окупать непомерно высокую цену изготовления таких препаратов. Конечно, это не значит, что привычный аспирин будет совершенно вытеснен умными конструкциями на базе токсинов. Просто для них есть своя свободная ниша, где их с нетерпением ждут.
Дмитрий Лебедев