Лекарства из морских организмов – химера или реальность?
Лекарства из морских организмов – химера или реальность?
Человечество издавна мечтает о «волшебных пулях» – лекарствах для активного избирательного воздействия на своих злейших врагов: болезнетворных грибков, микробов, вирусов. Ученые разыскивают чудодейственные лекарственные вещества повсюду, пытаются выделить их из клеток некоторых растений и животных, воссоздать заново в лабораторных колбах и ретортах.
Именно с целью поиска и изучения таких природных соединений была создана во Владивостоке академическая лаборатория, которая в 1964 г. была преобразована в Институт биологически активных веществ.
В начале 70-х гг. ученые института прозорливо сосредоточили свои усилия по поиску биологически активных веществ в океане. Здесь уместно привести пророческие слова выдающегося советского гидробиолога академика Л. А. Зенкевича: «Человечеству необходимо «перестраиваться» на океан. Это неизбежно, и в этом деле нельзя проявлять близорукости, иначе за нее придется расплачиваться тяжелой ценой».
Да и тысячелетний опыт многих народов свидетельствовал об эффективности лекарств, изготовленных из морских организмов. В Китае и Японии издавна использовали для лечения ряда болезней икру некоторых видов рыб, некоторых представителей класса иглокожих, например толченые голотурии, навары из водорослей. Снадобья из морских организмов употреблялись и в качестве стимуляторов жизненной активности человека, для повышения общего тонуса и жизнедеятельности отдельных органов.
Ряд обстоятельств во многом способствовали тому, что для последних 20–25 лет характерно именно бурное развитие биоорганических морских исследований. Во-первых, к концу 60-х гг. гидробиологи четко определили картину исключительного разнообразия форм жизни в океане и точно установили наличие в организмах некоторых морских животных и растений таких физиологически активных соединений, которых нет у животных и растений суши.
Во-вторых, усовершенствовались методы выделения, очистки и определения химической структуры биологических регуляторов и стимуляторов. И наконец, самое главное заключалось в том, что ученых подталкивала общественная потребность – человечество ощущало острейший дефицит новых эффективных средств лечения таких болезней, как сердечно-сосудистые, психические, вирусные, онкологические.
Директор Тихоокеанского института биоорганической химии – ТИБОХ (так с 1973 г. стал называться академический Институт биологически активных веществ) академик Георгий Борисович Еляков считал, что именно все эти причины и привели к тому, что ученые, в первую очередь США, Японии, СССР, развернули серьезные исследования физиологически активных веществ, содержащихся в морских организмах.
Он отметил, что многие подобные вещества уже приняты медиками для практического использования. Так, например, хорошо зарекомендовала себя каиновая кислота, выделяемая из красных водорослей. Голотоксин – активный компонент мышечной ткани голотурий – запатентован как препарат против кожных грибковых поражений. Из карибской губки выделено лекарство против вирусных заболеваний. Из представителей животного и растительного мира океана ученые выделили простагландины – группу физиологически активных веществ, с помощью которых снижают кровяное давление, облегчают дыхание при асматических заболеваниях, воздействуют на некоторые компоненты крови. Значительную роль в практической медицине и биохимических исследованиях играют определенные полисахариды, выделяемые из водорослей.
Для науки самое главное понять, какова роль тех или иных физиологически активных веществ в жизни морских организмов. Поняв это, ученые смогут сделать поиск новых целебных средств строго направленным, освободить его от игры случая.
Руководитель дальневосточных биооргаников четко определил причину интереса ученых именно к морской фауне и флоре. Обитатели океана – по всей видимости, самые древние жители нашей планеты. Иные их виды существуют уже десятки миллионов лет, практически мало изменяясь. Значит, в ходе эволюции; на более ранних этапах природой были придирчиво отобраны варианты их приспособления к морской стихии. Среди них различные химические соединения, которые не только обеспечивают жизнедеятельность того или другого отдельного организма, но и регулируют отношения между особями одного вида, между представителями дружественных или враждебных видов. Можно лишь удивляться тому, насколько готовы некоторые обитатели океана буквально к любой подстерегающей их случайности. Как тут не вспомнить мудрые слова Геродота: «За долгое время может случиться все, что возможно». Впрочем, один из выдающихся химиков-биооргаников наших дней, французский ученый М. Барбье, рассуждая об адаптации морских организмов, удачно дополнил суждение Геродота, заметив: «За долгое время может сохраниться лишь то, что необходимо».
Исследования ученых показали, насколько велик и разнообразен набор химических соедингний, которые служат морским организмам. Тут и вещества для защиты от хищников, для уничтожения болезнетворных бактерий, подавления конкурирующих видов, поиска пищи, для того, чтобы особям противоположного пола найти друг друга, для маскировки, прикрытия бегства, сообщения об опасности и для обеспечения многих других биологически крайне важных действий. Академик Г. Б. Еляков считает, что химическая информация определяет важнейшие акты поведения морских организмов, а из обитателей суши только у насекомых она играет в жизни такую же важную роль.
Эволюция в течение миллионов лет хорошо потрудилась, чтобы снабдить обитателей океана способами защиты от разносчиков всевозможных болезней – микробов и грибков. Для этого применяются зачастую весьма простые и эффективные методы. Один из них – галогенерирование, то есть введение атомов хлора в продукты обмена веществ. Дело облегчается тем, что в морской воде хлор имеется в большом количестве в составе солей, растворенных в ней. Благодаря этому «шлаки» морских организмов приобретают антимикробные свойства. Если же хлорные соединения оказываются малоэффективными, то природа позаботилась об использовании для тех же целей более активных соединений йода, брома и бора.
Такие антибактериальные соединения, синтезированные водорослями, попадают к растительноядным животным, которые эти водоросли поедают. Причем у некоторых животных они могут накапливаться, значит, облегчается их извлечение и использование в качестве основы лекарственных препаратов.
Как видим, ученым было чему поучиться у природы. Теоретические предпосылки и практические наблюдения, о которых рассказал директор ТИБОХ, послужили ученым-тихоокеанцам твердой платформой для развертывания исследований. Безусловно, важнейшую роль в их проведении сыграли экспедиционные рейсы на НИС для сбора биологического материала в морях и океанах.
Размах исследований значительно возрос после прибытия на Дальний Восток среднетоннажного специализированного НИС «Профессор Богоров» водоизмещением 1677 т. Это было одно из четырех НИС «профессорской» серии, построенных в Финляндии для АН СССР в 1976–1979 гг.
Такое необычное название серия получила из-за того, что суда были названы именами видных советских ученых, чья деятельность была тесно связана с изучением морей и океанов, а также отдаленных регионов нашей Родины: профессоров Вениамина Григорьевича Богорова, Алексея Ивановича Куренцова, Владимира Алексеевича Водяницкого и Владимира Борисовича Штокмана.
Научный комплекс НИС «Профессор Богоров» включает 11 прекрасно оснащенных лабораторий, где могут работать 28 научных сотрудников. Для изучения биологических объектов предназначены три биохимические, одна вспомогательная и одна приборная лаборатории. Есть на судне и виварий с подопытными животными. Комплекс технических средств, установленный на судне, позволяет выполнять различные виды океанологических измерений с достаточно высокой точностью. Очень важно, что судовой многопроцессорный вычислительный комплекс на базе ЭВМ третьего поколения позволил осуществить комплексную автоматизацию исследовательских работ в море путем оперативной обработки собранных учеными данных в реальном масштабе времени.
Ученые института активно использовали новое НИС для решения научных задач, поставленных перед ТИБОХ на конец 70-х и 80-х гг. Судно побывало у берегов Вьетнама, где ученые собрали значительную коллекцию целебных препаратов, выделенных из морских беспозвоночных. Сбор морских организмов проводить не просто. Главная роль в этом отводится аквалангистам. На поиски биологически активного материала выходят обычно по 15–20 ученых и водолазов. Остальные члены биохимического экспедиционного отряда в это время упорно трудятся в лабораториях над обработкой находок, приготовлением препаратов, определением их физиологической активности.
Об условиях работы аквалангистов живо рассказал заместитель директора ТИБОХ по научной работе доктор химических наук Юрий Семенович Оводов: «Условия эти иной раз и впрямь бывают необычными, особенно когда приходятся нырять вблизи коралловых рифов. Тут ведь и акулы встречаются, и скаты, и много разных рыб. Надо знать, с кем как себя вести. Ну и, конечно, надо найти ту живность, которая требуется, поднять ее на поверхность, доставить в лодку – мы называем ее «мыльницей». Отсюда уже добычу перегружают в рабочий бот, где оборудованы бидоны и ванны.
А при этом, даже увлекшись охотой, нужно суметь не поцарапаться о кораллы, не наступить на морского ежа – вообще не получить никакой травмы. Тот, кто поранился в воде, у нас в героях не ходит, а зачисляется в грубейшие нарушители техники безопасности. Травм от рейса к рейсу становится все меньше. И это красноречиво говорит о том, что с работой в дальних районах мы хорошо освоились».
Ученый отметил, что теперь в тропиках крайне редко попадаются животные или растения совершенно неведомых видов. Он считает, что это самое убедительное доказательство того, что многолетний поиск обитателей моря, синтезирующих различные физиологически активные соединения, принес вполне заметные результаты. Ученые своих «подопечных» по большей части «знают в лицо». Наступает новый этап. Впереди – более глубокое проникновение в механизм интимных процессов, происходящих в организме, детальное изучение роли каждого биорегулятора и биополимера в борьбе живого существа против всевозможных неблагоприятных воздействий.
В 1979 г. НИС «Профессор Богоров» с научной экспедицией института побывал на Мальдивских и Сейшельских островах, Мадагаскаре, у берегов Шри-Ланка. Один из научных отрядов возглавляла заведующая лабораторией института кандидат химических наук Эмма Павловна Козловская. Ее интересовали различные виды актиний. Это животные, которые относятся к классу кишечнополостных беспозвоночных. Они ведут неподвижный образ жизни, прикрепляясь к скалам или коралловым образованиям. Букеты щупалец делают их похожими на цветы красной, зеленой, бежевой, кремовой окраски. Своеобразные «цветники» – заросли актиний – опасны для человека. Подобно многим другим обитателям моря, эти существа вооружены стрекательными клетками – нематоцистами. Когда мимо проплывает какое-либо животное, актиния выбрасывает их наружу. Остреньким краешком нематоциста впивается, словно игла, в тело неугодного пришельца, рвется капсула, токсин проникает в жертву.
Надо сказать, что выброс стрекательных клеток для актиний – как бы универсальное проявление жизнедеятельности. Если «уколу» подвергается враг, посягающий на ее жизнь, он, испытав неприятное ощущение (ожог, временную потерю чувствительности), отказывается от своих агрессивных намерений и отправляется на поиск добычи поспокойнее. Если же нематоциста угодит в какое-нибудь небольшое безобидное животное, токсины парализуют его; животное падает на щупальца актинии, которая торопливо заталкивает его в себя и поедает…
«Крупным нашим везением было то, что актинии первого же из добытых видов относились к наиболее токсичным. Прямо на борту «Профессора Богорова» мы получили пять высокоактивных полипептидов – веществ белковой породы, отличающихся по химической структуре сравнительно короткой цепочкой аминокислот: их в молекуле больше десятка, но меньше сотни. Опыты на мышах, грибах, микробах различных штаммов показали, что эти вещества имеют отношение к проведению нервного импульса».
Исследования нейротоксинов были продолжены. Ученым удалось многое выяснить в механизмах функционирования живой клетки. На нынешнем этапе важнее всего понять связь между химической структурой токсинов и той функцией, которую они выполняют. Для этого необходимо установить, каковы их рецепторы, то есть с молекулами каких именно веществ, входящих в состав клеточной мембраны, токсины вступают во взаимодействие, в чем конкретно состоит его химический смысл. Тогда удастся составить более точное представление об устройстве ионного канала в мембране клетки и о принципах его функционирования. Со временем это позволит «регулировать» механизм передачи нервного импульса. В дальнейшем эти знания должны открыть большие перспективы в диагностике и лечении некоторых нервных заболеваний.
Отрадно, что, проводя исследования по поиску физиологически активных веществ в морских животных и водорослях, выясняя тонкий механизм действия этих веществ, ученые заглядывают вперед, думают о проблемах, которые возникнут в случае массовой потребности в найденных веществах для нужд практической медицины.
Они считают, что в подобных обстоятельствах нельзя превращать живые организмы океана в промышленное сырье, ибо это может привести даже к необратимым изменениям в природе, к исчезновению целых биологических видов.
Отсюда вывод: природа должна дать только модель полезного вещества. Задачи ученых ясны: досконально изучить химическое строение нужного вещества, а затем научиться создавать это вещество с помощью методов органического синтеза или биосинтеза. Только такой путь создания лекарственных препаратов на основе модели природных физиологически активных веществ может быть принят в настоящее время.
В дальнейшем ученые ТИБОХ получили в свое распоряжение новое НИС «Академик Опарин». Это было одно из четырех специализированных, среднетоннажных НИС водоизмещением 2600 т, построенных для АН СССР также в Финляндии в 1984–1985 гг.
Из четырех НИС три строились для гидрофизических исследований водных масс океанов и морей, исследования океанского дна и слоев атмосферы, прилегающих к поверхности океана. А НИС «Академик Опарин» предназначено именно для исследований по профилю ТИБОХ – для гидробиологических исследований. Исходя из этого и спроектирован установленный на нем научно-исследовательский комплекс.
И безусловно, название гидробиологического судна было выбрано не случайно. Герой Социалистического Труда академик Александр Иванович Опарин (1894–1980) был виднейшим советским биохимиком, создателем научно обоснованной теории возникновения жизни на Земле, в основе которой лежит идея, что жизнь – результат эволюции углеродных соединений. Эта теория, созданная ученым в результате многолетних изысканий, явилась крупным достижением материалистической, мысли и во многом определила пути развития исторической биохимии.
НИС «Академик Опарин» – это плавучий филиал ТИБОХ. Судовое научное оборудование специально скомплектовано для полноценного проведения химических и биохимических исследований морских организмов с целью поиска, выделения и исследования структуры и физиологической активности соединений, обладающих антибиотическим, противоопухолевым и иммуностимулирующим действием.
В носу на главной палубе расположена химико-технологическая лаборатория. В ней установлены приборы и устройства для выделения физиологически активных соединений из морских организмов.
Для исследования химического строения выделенных из морских организмов веществ предназначены пять лабораторий: три биохимические, спектроскопическая и физико-химическая. Размещенное в них оборудование сделало бы честь лучшему биохимическому НИИ в любом академическом центре. Это, в частности, несколько жидкостных /и газовых хроматографов; инфракрасных, ультрафиолетовых видимых и флуоресцентных спектрофотометров; аминокислотных и углеводных анализаторов.
В гидробиологической лаборатории ученые разбирают, фиксируют и определяют видовую принадлежность выловленных морских организмов. Работу с культурами тканей и микробиологические испытания проводят в лаборатории и боксе биоиспытаний и в микробиологической лаборатории с ламинарным боксом (боксом повышенной стерильности).
В расположенной на палубе ходового мостика лаборатории биосинтеза установлена уникальная аппаратура, в том числе жидкостный сцинтилляционный счетчик и программируемый многоканальный анализатор для изучения механизмов биосинтеза с помощью радиоактивных изотопов.
Помимо лабораторий, на судне имеется ряд специфических вспомогательных научных помещений: стеклодувная мастерская, виварий, где содержатся подопытные мыши, морские свинки и др. и фотолаборатория. Имеются специальные холодильные камеры, где биологический материал хранится при температуре ниже – 45 °C.
Для сбора биологического материала методом траления на глубинах до 500 м на судне установлена специальная лебедка и П-образная рама. Предусмотрен сбор морских животных и растений водолазами. Для этого на судне имеется пять рабочих катеров и комплекты снаряжения для водолазов. Поиск рыбных скоплений производится при помощи рыбопоискового гидролокатора.
С получением НИС «Академик Опарин» ученые ТИБОХ получили возможность вести работу по поиску физиологически активных веществ в морских организмах на неизмеримо более высоком уровне, чем ранее. Это подтвердили результаты первых же экспедиционных рейсов.
Особенно плодотворным в научном плане был многомесячный рейс, закончившийся в сентябре 1987 г. Экспедиция получила в свое распоряжение судно, специально построенное для исследований в области морской биологии и биохимии. Ученые привезли сотни штаммов микроорганизмов-продуцентов. Руководитель научной экспедиции академик Г. Б. Еляков, подводя итоги рейса, отмечал, что многие считают сегодня эру антибиотиков прошедшей. Природа такого пессимизма понятна: при массированном использовании антибиотиков возникают устойчивые штаммы болезнетворных микроорганизмов. Большинство антибиотиков имеет наземное происхождение, то есть в эволюционном плане они встречались с возбудителями болезней, часть которых выработала и сохраняет в генетической памяти устойчивость.
Именно поэтому ученые ищут оружие против опасных инфекций среди морских звезд, ежей, моллюсков и множества других обитателей Мирового океана. Морские и земные организмы разделены по крайней мере двумя миллиардами лет эволюции. Отсюда и надежда ученых обнаружить соединения, к которым патогенные микроорганизмы приспособиться не смогут.
Науке необходимы вещества, которые могут служить как тончайшие инструменты исследования живой клетки. К ним относятся анемонотоксины, выделяемые из актиний, с помощью которых можно изучать механизм передачи нервного возбуждения. Так называемые ферменты обмена нуклеиновых кислот, способные резать в определенных местах и соединять ДНК, необходимы для решения проблем генной инженерии. Ученые института занимаются изучением целой серии таких ферментов, продуцируемых морскими организмами.
Говоря о возможности использования биоресурсов океана в медицинских целях, директор ТИБОХ с оптимизмом сказал, что «когда речь идет об океане, самые дерзкие прогнозы не выглядят фантастическими. Ну а в нашем случае вера опирается на факты. Директору американского института исследований рака Дж. Петтиту – он был гостем на судне – удалось выделить из морского объекта вещество, которое сейчас испытывается как эффективное средство лечения злокачественных опухолей.
Конечно, и мы проверяем серию экстрактов в качестве противораковых соединений. Понятно и напряженное внимание ко всему, что связано со СПИДом… Возможности «Академика Опарина» позволяют начать широкие исследования морских организмов с целью выявления соединений против СПИДа».
Ясно одно – впереди у морских биологов и биохимиков удивительные находки и открытия.