БИОХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТУБЕРКУЛЕЗА. ШАГ В XXI ВЕК
Специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" Е. ЗВЯГИНА.
ХХ век, век НТР - на его долю пришлось наибольшее количество открытий в науке и технике - неожиданно поставил человечество на грань вымирания.
По данным Всемирной организации здравоохранения, в 1998 году от туберкулеза умерли 3 млн. человек (включая 100 тыс. детей). Если ситуация не изменится, то к 2020 году более 1 млрд. человек будут инфицированы, 200 млн. заболеют и 70 млн. человек умрут от туберкулеза.
Россия входит в число 15 самых отсталых стран с наивысшим уровнем заболевания туберкулезом. В нашей стране он в 10 раз выше, чем в странах Запада.
По сведениям Минздрава, в настоящее время в России более двух с половиной миллионов человек больны туберкулезом. Количество вновь заболевших выросло с 7,7 случая на 100 тысяч человек в 1990 году до 17,7 в 1998 году. Только за десять месяцев прошлого года число больных увеличилось на 8,5%. Смертность от этой болезни достигла предельно высокого уровня (50% всех летальных исходов, вызываемых инфекционными заболеваниями). В тюрьмах и колониях туберкулезом болеют в 50 раз чаще, чем в целом по стране.
Положение усугубляется тем, что возбудитель туберкулеза - так называемая "палочка Коха" - приспосабливается к созданным для его подавления антибиотикам. Современные лекарства оказывают все меньшее сопротивление новым, мутировавшим формам бактерий.
Единственный надежный способ противостоять туберкулезу - обнаружить его на начальной стадии. Однако проблема ранней диагностики весьма сложна, поскольку бактерии туберкулеза способны долгое время находиться в "спящей" (латентной) форме, а такие бактерии практически невозможно обнаружить традиционными методами.
Сегодня ученые полагают, что каждый третий человек - носитель инфекции. Болезнетворные бактерии многие годы способны находиться в организме, никак себя не проявляя. Однако стоит иммунитету по каким-то причинам ослабеть, как они могут "проснуться", и болезнь начнет стремительно прогрессировать. Именно поэтому таким принципиально важным шагом в борьбе с туберкулезом стал открытый недавно метод выявления "спящих" бактерий.
"Спящие" бактерии
Подобно всем живым организмам, бактерии проходят три стадии: рождение, жизнь, смерть. Смерть бактерии может наступить от так называемого голодания: например, попадая в почву или в океан, она получает крайне мало питательных веществ (или совсем их не получает) - и умирает. Правда, существует небольшой класс бактерий, умеющих и в таких условиях выживать длительное время, - спорообразующие бактерии. Спора - совершенно "замершая" клетка, ее состояние аналогично смерти. Такие клетки не проявляют никакой активности до тех пор, пока не попадут в благоприятные условия: тогда они "оживают", начинают размножаться и образуют колонии. Но большинство бактерий, в том числе болезнетворных, могут переживать голодание лишь несколько недель, максимум месяцев. По крайней мере, так считалось до последнего времени.
Проблема приспособления бактериальных клеток к экстремальным ситуациям давно стала предметом исследований группы ученых из Института биохимии имени Баха; ее возглавляет доктор биологических наук профессор Арсений Сумбатович Капрельянц.
Что случается с бактериями, не умеющими образовывать споры, когда они попадают в неблагоприятную среду? Умирают они или все же каким-то образом приспосабливаются? Все ли клетки в колонии ведут себя одинаково? Микробиологи обычно исследуют не индивидуальные клетки, а популяции, сообщества бактерий. Микробиолог подсчитывает количество клеток в популяции, затем, поместив их в питательную среду, ждет, пока бактерии образуют колонии. Количество образовавшихся колоний эквивалентно числу жизнеспособных клеток в исходной популяции. Остальные клетки (не развившие колонию) считаются погибшими.
Ученые из Института биохимии стали изучать индивидуальные клетки в популяции Micrococcus luteus - одной из разновидностей неболезнетворных бактерий, на примере которой удобно рассматривать биохимические процессы. Наблюдая поведение бактерий, они обнаружили, что при определенных условиях голодания клетки способны переходить в покоящееся, или дормантное, состояние. Они не размножаются, но и не умирают. Этот феномен во многом напомнил исследователям образование спор, хотя разница оказалась все же существенной. Споры обладают наивысшей степенью устойчивости к воздействию внешних факторов. Они практически нечувствительны к ультрафиолету и нагреванию. Бактерии в дормантном состоянии обнаружили меньшую защищенность от окружающей среды, но сам факт возможности "летаргического сна" для неспорообразующих клеток стал сенсацией. Эффект "спящих клеток" получил широкий резонанс. Проблемой заинтересовались многие ученые у нас в стране и за рубежом.
В британских и американских газетах появились публикации об опасности "спящих" бактерий, поскольку они могут долгое время находиться в организме человека или в окружающей среде (в почве или воде), никак себя не проявляя. Современными методами обнаружить такие бактерии практически невозможно. К примеру, вода, прошедшая все необходимые тесты, может содержать болезнетворные бактерии в латентном состоянии, которые, попав в благоприятные условия, станут активно размножаться.
Тема явно заявляла о своей серьезности и глубине. Лаборатория А. С. Капрельянца стала работать в сотрудничестве с учеными из университета Уэльса (Великобритания). Обычно в Москве проводились длительные физиологические эксперименты. В Англии выполнялись исследования, требующие современного оборудования. В сложившемся коллективе каждый исследователь был достаточно самостоятелен, имел свои собственные научные интересы. Сферой интересов Майкла Янга была генетика. Дуглас Келл в большей степени интересовался биотехнологией. Именно он приобрел прибор, позволяющий отсматривать отдельно каждую клетку в популяции, - проточный цитометр. А. С. Капрельянц и Г. В. Мукамолова занимались физиологической стороной исследований, проблемами жизнедеятельности бактерий. Вероятно, именно разноплановость экспериментов стала предпосылкой успешной работы. Область, открывшаяся перед учеными, была своеобразным "белым пятном" в науке, и какое-либо единственное выбранное направление могло сузить исследования, а в худшем случае завести в тупик.
Фактор роста
"Заснувшие" бактерии не росли ни при каких условиях. Около двух лет ушло на то, чтобы найти способ активизировать их и таким образом доказать, что дормантное состояние обратимо, а следователь но - не равнозначно смерти. "Не знаю, на чем строилась наша уверенность, что их можно "разбудить", - говорит А. С. Капрельянц. - Вероятно, это интуиция, основанная на некотором опыте. Например, под микроскопом они были совсем как живые, только не размножались. Помог, как это часто бывает, случай. Забытая колба или что-то в этом роде, сейчас уже не вспомнить".
Неожиданно выяснилось, что добавление небольшого количества живых, активных клеток приводит к тому, что "спящие" клетки начинают оживать и размножаться. Они оживали и при добавлении жидкости, в которой росли живые клетки. Отсюда следовал логический вывод: живые бактерии производят нечто, что заставляет "проснуться" клетки, находящиеся в дормантном состоянии.
После серии исследований определили, что сигнальное вещество, синтезируемое живыми клетками и влияющее на "спящие", имеет белковую природу. Новый белок получил название Rpf (Resuscitation promoting factor), что в переводе на русский означает "фактор, ускоряющий оживление" или просто - фактор роста. Было обнаружено: Rpf стимулирует рост и живых, не "спящих" бактерий, что позволило говорить о нем как о первом бактериальном факторе роста. Через некоторое время ученым удалось выяснить аминокислотную последовательность и определить ген, кодирующий этот белок.
Лечение туберкулеза: новые возможности?
К настоящему времени уже расшифрован геном некоторых бактерий (порядка пятнадцати) и созданы компьютерные базы данных, которые могут использоваться для сравнения белков, ими синтезируемых. Получив ген, кодирующий Rpf, ученые решили выяснить, есть ли сходные белки у других бактерий. Аналогия фактору роста была найдена у Mycobacterium leprae (возбудителя проказы), Mycobacterium tuberculosis ("палочки Коха"). Гены, кодирующие сходные белки, были обнаружены и у ряда других микобактерий и стрептомицетов.
Эксперименты, проведенные с целью подтвердить или опровергнуть результаты компьютерного анализа, дали обнадеживающие результаты. Прежде всего, выяснилось, что Rpf действительно стимулирует рост микобактерий. Кроме того, оказалось, что антитела, образуемые против фактора роста, практически останавливают рост бактерий туберкулеза. Как известно, принцип прививки основан на том, что небольшое количество вакцины, введенное в организм, провоцирует выработку антител. Именно они создают защиту против болезни и не дают ей развиться, если человек заразился.
Таким образом, проблема перешла в область практики. Перспективы медицины, вызванные открытием первого бактериального фактора роста, трудно переоценить. Вот только два главных направления - выработка более совершенной системы диагностики и возможность создания принципиально нового класса лекарств и вакцин.
С помощью Rpf можно будет, во-первых, значительно сократить время, нужное для диагностики (особенно если в образцах, взятых для анализа, присутствует только небольшое количество возбудителя туберкулеза - а это бывает часто). Туберкулезная палочка - медленно растущая культура, поэтому для ее выявления требуется несколько недель. Правда, есть косвенные методы диагностики, основанные на признаках активности бактерий. Такие методы позволяют распознать болезнь значительно быстрее, но точность результатов при этом не гарантирована. Применяя фактор роста (например, просто добавляя его к тканям, взятым для анализа), можно будет сократить сроки обнаружения туберкулеза до минимума, и таким образом выиграть время для борьбы с прогрессирующей болезнью. Кроме того, бактерии, находящиеся в дормантном состоянии, до сих пор вообще не поддавались диагностике. Теперь их можно будет "разбудить" - и таким образом обнаружить.
Еще более заманчиво создать новый класс антибиотиков. Современные лекарства в основном воздействуют на рост и деление бактерий, скрытая же форма болезни до сих пор была практически неизлечима. Эффект новых антибиотиков, если их удастся синтезировать, будет основан на подавлении фактора роста. Принцип действия - совершенно новый, таким образом, на какой-то период мы, возможно, получим преимущество в борьбе с туберкулезом. Безусловно, бактерии со временем выработают устойчивость и к этим лекарствам. И тем не менее положительную роль здесь может сыграть белковая природа фактора роста, допускающая довольно большой простор для варьирования . Например, если клетки туберкулеза заменят какую-то одну аминокислоту, можно будет модифицировать и антибиотик, не меняя принципа его действия.
Еще одна цель дальнейших исследований - создание вакцин на основе ДНК. При обычной прививке человеку однократно вводят какое-то количество белка. Сейчас уже возможно внедрить в организм не белок, а фрагмент ДНК. Ген включается в подкожные клетки и начинает вырабатывать нужное вещество. Таким образом, в организме человека постоянно поддерживается необходимый для подавления инфекции уровень антител. Этот тип вакцин значительно эффективнее традиционных.
Перспектива разработки такой вакцины против туберкулеза ставит перед наукой новую задачу - создать так называемую нуль-мутантную бактерию, в которой был бы инактивирован, то есть "обезврежен", ген, отвечающий за синтез Rpf. Задача усложняется тем, что Micrococcus luteus еще недостаточно генетически изучен, поэтому сделать нуль-мутантную бактерию на его основе непросто. Что касается туберкулеза, то, во-первых, эта культура крайне неудобна в практике из-за медленных темпов роста, во-вторых, туберкулез имеет пять генов, отвечающих за производство разных Rpf-подобных белков (следовательно, надо инактивировать пять генов). Если нуль-мутантная бактерия все же будет создана, она может стать идеальной основой вакцины: создавая иммунитет в организме, она будет абсолютно безопасна, поскольку неспособна к самостоятельному размножению. И еще. Если удастся получить такую бактерию и показать, что ей нужен фактор роста извне, чтобы размножаться, это будет бесспорным доказательством того, что это вещество необходимо для роста популяции бактерий. Пока такого доказательства нет.
Конечно, о практических "выгодах" открытия фактора роста можно говорить, лишь имея в виду длительную перспективу. По расчетам компании Glaxo Welcome, для введения в медицинскую практику нового типа вакцин потребуется минимум 10-15 лет. Что же касается фундаментальных исследований, то их цель на настоящем этапе - выяснить механизмы действия фактора роста. Непонятным еще остается и наличие в туберкулезных бактериях пяти генов, отвечающих за синтез Rpf. Каковы функции каждого? Вопросы ждут своего решения.
Как можно увидеть на примере исследований "спящих" бактерий, в науке трудно предсказать, какие проблемы могут открыться перед учеными в следующий момент. Начиная изучение бактерий Micrococcus luteus, никто из исследователей не предполагал, что полученные результаты будут связаны с туберкулезом. Ставя перед собой конкретную цель, ученый лишь задает себе первоначальное направление. В изучении природы человек меньше всего похож на последовательного и аккуратного экспериментатора. Материал часто "ведет" исследователя за собой, ставя перед ним все новые и новые проблемы.
Читайте в любое время
