И светят, и греют. Новейшая область науки родилась в лучах лазеров

— Много лет я работаю с флуоресцентными (светящимися) белками, — рассказывает В.Белоусов. — С их помощью можно наблюдать процессы, происходящие в живой клетке, и на этой основе разрабатывать научные методы. Насколько важно исследовать эти белки, говорит тот факт, что открывшие и внедрившие их ученые удостоились Нобелевской премии по химии в 2008 году. Позже родилась оптогенетика, позволяющая активировать нейроны с помощью света. Для этого в них помещают ген светочувствительного ионного канала из светочувствительных бактерий или одноклеточных водорослей — они отвечают за восприятие света этими организмами. Ген встраивают в нейроны подопытных животных — лягушек, рыб, мух или мышей, освещают видимым светом, как правило синим, — и воздействуют на нейрон. Так с помощью оптогенетики разрабатывают способы лечения опасного заболевания — дегенерации сетчатки глаза, — лежащего, так сказать, на поверхности; на глубину, то есть в интересующий нас мозг, проникнуть практически невозможно, поскольку свет плохо проходит через непрозрачную ткань тела. К тому же интенсивный свет может повредить саму ткань. Эти и другие отрицательные моменты оптогенетики вызвали необходимость создания родственного метода — термогенетики. 

Как и в первом случае, мы встраиваем в нейрон восприимчивый к излучению ионный канал, но в данной технологии он чувствителен не к видимому глазом, а к тепловому излучению. А в качестве источника нагрева каналов впервые используем инфракрасный лазер, проникающий в глубь ткани. В этом важное преимущество термогенетики по сравнению с оптогенетикой. И теперь исследования и эксперименты вышли на новый, более высокий уровень, позволив стимулировать даже один нейрон.

— Известно, что у некоторых змей, например у гремучих и у щитомордников, есть встроенный тепловизор. На голове, около носа у них находятся особые ямки — теплочувствительные органы. Благодаря им змеи охотятся даже ночью, в кромешной тьме, потому что ощущают тепло, исходящее, например, от мыши. Все равно что человек подносит руку к утюгу и чувствует, что он горячий — действует тот же самый механизм, что и у змеи. Только у нас подобные нейроны располагаются на кончиках пальцев, а у змеи, как я уже сказал, в ямках около носа. Они более чуткие, чем у человека, и ощущают тепло на большом расстоянии. 

— Это не проблема: размер тела нейрона — приблизительно 10 микрометров, а встраиваемого в него светящегося белка — 5-6 нанометров. Есть много способов внедрить ген, кодирующий нужный нам белок. Например, использовать специальный прибор: он буквально вколачивает молекулы ДНК в клетку с помощью электрического разряда. В случае с рыбками мы инъецируем генетический материал прямо в икринку. В результате даже при очень слабом нагревании — примерно на 1-2 градуса — с помощью короткого лазерного импульса нейрон активируется, в нем возникают электрические (ионные) токи — мы его стимулируем и управляем его работой. 

Необходимо отметить вклад ученых физфака МГУ в создание метода термогенетики. Профессор Алексей Желтиков и его сотрудники сделали для нас уникальный, единственный в мире микротермометр, сопоставимый с размером клетки (в несколько микрометров). Вместо ртути они применили микроскопический алмаз. И когда на него падает свет инфракрасного лазера, алмаз нагревается и определяет температуру с погрешностью до 0,1 градуса. Теперь мы можем очень точно настраивать лазерную установку — ее, кстати, тоже собрали для нас физики МГУ.

— Это чрезвычайно перспективное направление для лечения в будущем, подчеркну, тяжелых заболеваний, в первую очередь нейродегенеративных, при которых определенные нейроны гибнут или постепенно угасают. Однако их функции можно переложить на другие нейроны, активируя светом лазера. И сразу возникают проблемы: как доставить свет в мозг? Хорошо бы, конечно, в черепную коробку пациента поместить световод и пустить по нему луч лазера, чтобы перезапустить нейрон, но сегодня микрохирургия сделать это не в состоянии. И получается: мы успешно проводим опыты на животных — и только мечтаем об испытаниях в клиниках. Предстоит преодолеть дистанцию огромного размера. Но в тех случаях, когда исследуемые нейроны доступны без хирургического вмешательства, как, например, нейроны сетчатки, с помощью света уже можно восстанавливать утраченные функции мозга. 

В этом главное преимущество и значение термогенетики: она позволяет определить, каково назначение тех или иных нейронов, и на основании этого знания выработать методы лечения таких заболеваний, как болезни Паркинсона, Альцгеймера, и других. Поскольку есть, повторюсь, родственные им клетки и хотя бы частично они могут взять на себя их “обязанности”, обеспечив мозг человека, как в случае болезни Паркинсона, столь необходимым ему дофамином. Но это в теории, на практике, как я говорил, методов лечения с помощью термогенетики на сегодняшний день не существует, она только что появилась. Сначала необходимо научиться включать и выключать изу­чаемый нейрон или целую их группу, чтобы установить, что изменилось в результате болезни, какой ответ дал мозг. Как мы уже это делаем с рыбкой: стоит осветить лазером определенный нейрон — и она машет хвостом. Значит, именно он отвечает за ее моторные функции. Понятно, что с мозгом все во сто крат сложнее — ведь мы до сих пор не знаем, как протекает мозговая деятельность человека. Однако известно, что нейроны мозга или, скажем, ноги, печени или хвоста рыбки работают одинаково, и, чтобы изучить именно нейроны мозга, не нужно изобретать специальные инструменты.

Сегодня мы уже достаточно хорошо представляем сильные и слабые стороны термогенетики, хотя официально она родилась только что — 22 мая этого года, когда Nature Communications (один из журналов семейства знаменитого Nature) опубликовал нашу статью. Она объединяет три метода: молекулярной нейробиологии, квантовой термометрии и инфракрасной фотоники. Значение нашей работы в том, что мы первыми использовали сверхчувствительные гены каналов змеи и активировали их лазером. Надеюсь, публикация будет востребована, ее станут цитировать, поскольку метод просто необходим ученым. Но, как я уже говорил, это не значит, что буквально завтра можно начать лечение нейродегенеративных заболеваний. Для этого, повторюсь, необходимо понять, как работает мозг, какие нейроны за что отвечают, можно ли включением определенных клеток усилить определенные функции нервной системы. Но уже можно утверждать, что мы приблизились к пониманию работы отдельных нейронов и отдельных структур мозга, поскольку получили возможность осветить мозг, воздействуя на недоступные ранее его “потаенные” системы. 

Мы рассчитываем, что наша технология подтолкнет исследования мозга, но проблема в том, что у нас нет пока надежного метода доставки света. Его еще предстоит “провести” в мозг, наглухо закрытый черепной коробкой. Ведь наш лазер освещает и нагревает мозг всего на несколько миллиметров, а не насквозь, как нам бы очень хотелось. Все равно, что в онкологии: есть десятки способов, как убить раковые клетки, но нет надежного средства доставки “орудия убийства” точно к очагу злокачественной опухоли. И все же это лучше, чем, скажем, синий свет, который распространяется всего на доли миллиметра (метод оптогенетики). 

— Возможно, открытие, возможно, “шаг вперед” — не суть важно. Главное, наше исследование подтверждает классическое правило: объединение технологий, я их назвал выше, дает некий коммуникативный эффект. Конечно, и по отдельности каждый из этих методов весьма ценен, но вместе они составляют прорывную технологию. 

— Думаю, через три-пять лет. Ученым необходимо дать время, чтобы преодолеть некий момент инерции. Они должны осознать, что есть эффективный метод и его можно с успехом применять. 

— У термогенетики есть ответвления — их мы сейчас и разрабатываем. Интересно, например, не только активировать определенные нейроны, но и научиться их выключать, чтобы посмотреть, как это отразится, скажем, на памяти человека. Возможно, это поможет лечить эпилепсию, вызываемую усилением роли определенных нейронов. Поэтому сейчас мы конструируем особые молекулярные выключатели: в известных нам белках заменяем одну-две аминокислоты — они начинают работать несколько иначе и пропускают через себя другие ионы. Используя их и подключив инфракрасное лазерное излучение, стараемся активировать сердечную мышцу, чтобы впоследствии встраивать в нее имплантаты, задающие сердцу необходимый ритм. По этому же принципу пробуем управлять клетками, продуцирующими инсулин: инфракрасный свет будет инициировать выброс инсулина и поможет бороться с диабетом. Как видите, перспективы термогенетики очень значительны.