Казалось бы, недостаток кислорода – это что-то страшное и опасное. Конечно, так может быть. Но не всегда. Американские онкологи Уильям Келин и Грегг Семенца и британский нефролог Петер Ратклифф в 2019 году получили Нобелевскую премию за исследования о том, как клетки организма реагируют на гипоксию – недостаток кислорода. Открытие помогает в разработке лекарств против рака и других болезней.

В Киеве уже третий год подряд рассказывают, за что дают Нобелевку. 7 декабря накануне вручения Нобелевской премии в Стокгольме состоялся NOBILITET – киевская пре-пати вручения наград.

За какие открытия вручили “нобелевку” в области медицины в этом году, как и почему организм реагирует на недостаток кислорода при физических нагрузках и в условиях стресса, а также как гипоксия может лечить, рассказала Татьяна Древицкая – генетик, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института физиологии им. А. Богомольца. #Буквы записали самое важное из ее выступления.

Белок, который помогает при гипоксии

По мнению Татьяны Древицкой, премию за такое открытие Семенце, Ратклиффу и Келину могли дать и раньше, в начале 2000-х. По ее словам, на тот момент наука уже знала много о том, что происходит внутри клеток.

“Но Нобелевский комитет решил, что открытие достойно премии именно сейчас, потому что стало понятно, какую пользу людям оно может принести. Сейчас мы действительно пользуемся этим открытием, чтобы искать лекарства от определенных болезней“, – говорит она.

Какое же открытие совершили ученые? Сначала несколько слов о том, какие процессы они исследовали.

Организм человека состоит из миллиардов различных клеток. Каждая “заточена” под определенные функции, но всех их объединяет одно: в их ядре есть ДНК. Есть и гены, которые отвечают буквально за все. В частности, за синтез белков.

“Недаром говорят, что жизнь – это функционирование белковых тел. В ядре клетки постоянно синтезируются различные белки. Грегг Семенца занимался проблемами анемии. Это недостаток красных кровяных телец – эритроцитов. Наверное, вы слышали о них, когда сдавали общий анализ крови. В них находится гемоглобин, который и переносит кислород по организму. Семенца уже в начале 80-х увидел такое явление: если человек находится, скажем, в горах, и дышит воздухом с пониженным содержанием кислорода или имеет какую-то проблему в легких, при которой не может получить из воздуха достаточно кислорода, то количество эритроцитов в крови увеличивается “, – рассказывает Древицкая.

В тот период науке уже было известно: есть гормон эритропоэтин, который регулирует количество эритроцитов. Он выделяется почками. Семенца начал искать связующее звено между нехваткой кислорода в организме и влиянием на почки. Он пытался выявить, почему так происходит.

Как-то во время исследования он увидел, что когда клетку в культуре поместить в среду с малым количеством кислорода и питательных веществ, то она замедляет все свои внутренние процессы. Это означает, что клетка начинает синтезировать меньше белков, потому что ей не хватает энергии. На фоне этого ученый обнаружил: в таких условиях клетки все белки снижаются, а один – повышается. Ученый предположил, что этот белок и является связующим звеном между недостатком кислорода и синтезом гормона, который производит большее количество эритроцитов. Его предположение оказалось правильным. Этот белок назвали HIF. На английском – hypoxia inducible factor (фактор, вызванный гипоксией – ред.). Это все о процессе, который появляется, когда нам не хватает кислорода по разным причинам и в разных местах – в легких, в крови, в клетках.

Фактически каждая клетка нашего тела постоянно находится в состоянии как бы ожидания, вдруг сейчас нам не хватит кислорода. Белок HIF образуется в организме постоянно, чтобы уберечься и выжить, “вдруг что”.

Период жизни этого белка – 5 минут.

“Так происходит постоянно, пока организм или какая-то одна клетка не попадет в условия гипоксии. И тогда “включается” еще один белок, который помогает HIF. С его помощью HIF попадает в ядро ​​клетки – “святое место”, где содержится генетическая информация, и начинает “включать” синтез других белков. Они и помогут клетке выйти из этого сложного положения. Мы называем это клеточной адаптацией. Здесь все зависит от того, насколько длинной будет гипоксия. Если собственных резервов клетке хватит, чтобы ее пережить, то тогда она будет более выносливой к следующему ее влиянию”, – добавляет генетик.

Когда клетка оказывается в условиях гипоксии, HIF переводит ее в режим “без кислорода”. В клетку можно “привлечь” дополнительные сосуды. Это называется васкуляризация – формирование новых кровеносных сосудов. Тогда ячейка в условиях недостаточности кислорода начинает получать его больше. А с кислородом – еще больше питательных веществ. HIF также позволяет клетке делиться, если кислорода достаточно.

“Темная сторона” HIF

“HIF имеет под своим контролем многие гены. Это означает, что этот белок очень важен для организма. Но он может действовать на организм и патологически. Например, участвовать в развитии злокачественной опухоли и способствовать метастазированию клеток “, – говорит Татьяна Древицкая.

Это открытие может помочь в лечении рака, объясняет она: “Мы уже знаем много молекул, влияющих на развитие патологических состояний. Мы умеем их активировать или тормозить. Первое, что начали делать клиницисты и врачи, когда узнали об этой системе, – использовать ее для лечения онкологических заболеваний. При развитии опухоли уровень HIF увеличивается, так как опухоль пользуется этим необходимым для выживания механизмом, чтобы расти. Поэтому здесь надо искать молекулы, которые блокируют HIF “.

Разрабатываются важные фармакологические препараты – ингибиторы или блокаторы этой системы. Они не позволяют опухоли пользоваться таким механизмом. Уже достаточно много молекул разработаны и синтезированы. По состоянию на сейчас известно о 146 клинических исследованиях, которые сейчас проводят по работе этой системы. Первое крупное исследование в этой области было проведено в 2010 году: ученые пытались не дать синтезировать эту молекулу с белком. Опыт был удачным, но Татьяна Древицкая отметила, что по каким-то причинам пока нет лекарств, которые бы имели в своем составе эту молекулу.

Кроме онкологии, есть еще целый список болезней, связанных с  этой системы. Например, гипоксия развивается в месте, где был инфаркт. Он повреждает ткани и участки вокруг них. В пострадавших от гипоксии зонах возникает еще и воспаление. Если мы научим клетки адаптироваться к такому состоянию заранее, это улучшит лечение после инфаркта или может даже и позволит его предотвратить. Ведь реабилитация после инфаркта и инсульта может быть дорогостоящей и требовать много времени и усилий.

Как дефицит кислорода приносит пользу

Гипоксию мы можем чувствовать контролируемо, то есть по собственному желанию, говорит Татьяна Древицкая. Например, такая гипоксия всегда бывает при физических нагрузках и занятиях любым видом спорта. Она возникает из-за чрезмерного потребления кислорода мышцами. Это хорошо, ведь идет организму на пользу.

“Чтобы увеличить полезное влияние гипоксии на организм, прежде всего следует увеличить гипоксию нагрузки. Сейчас врачи советуют заниматься физическими нагрузками средней интенсивности 7 часов в сутки. Просто ради любопытства посчитайте, сколько вы тратите на это времени в день и увеличьте количество таких нагрузок “, – советует ученый.

Есть еще так называемая гипоксическая гипоксия. Она подходит скорее “продвинутым” пользователям. Это снижение уровня кислорода во вдыхаемом воздухе. Ее часто используют при подготовке олимпийских чемпионов. Они тренируются как и всегда, но при этом находятся в горах. Тогда они получают больше пользы от тренировок, потому что добавляется еще один фактор – снижение уровня кислорода в воздухе, который они вдыхают.

Для тех, кто не имеет возможности ехать в горы, разработали гипокситроны – устройства (в частности, в виде масок), через которые человек дышит во время занятий. Вдыхание воздуха с пониженным уровнем кислорода помогает улучшить результаты тренировок и состояние здоровья в целом. Есть еще “гаджет” для совсем ленивых – палатка, внутри которой можно дышать “горным” гипоксическим воздухом где угодно.

Киевская школа гипоксии, которой можно гордиться

Прерывистая гипоксия – еще один научно доказанный метод, который используется в мире, и в Украине тоже. В частности, его широко применяют в Институте Амосова перед кардиологическими операциями. В манжете устройства, подобного к прибору для измерения давления, создается давление, больше нашего артериального. Пациенту при процедуре несколькими эпизодами передавливают локтевую артерию – по 5 минут. Если провести четыре таких цикла процедуры, это позволит защитить от повреждений сердце, говорит генетик.

“Ученые доказали, что когда одна часть руки чувствует ишемию (недостаток кислорода и питательных веществ), в кровь в это время выделяются так называемые протекторные молекулы. Когда мы отпустим руку, эта кровь отойдет от руки и достигнет всех органов. Это действительно дает результаты, особенно когда пациенту рекомендовано хирургическое вмешательство“, – объясняет Татьяна Древицкая.

Впрочем, ишемия – это не только о сердце и мозге. Любая клетка нашего организма может быть ишемизирована. Например, клетки почек, печени. Такие процедуры можно использовать не только для того, чтобы человек лучше перенес операцию. Гипоксические тренировки можно проводить до ишемии, во время и после инфаркта, когда пациенту нужна реабилитация.

Украина может гордиться тем, что имеет свою школу гипоксии, говорит генетик. Ученик Александра Богомольца, патофизиолог Николай Сиротинин одним из первых начал изучать эти вопросы и имел научные обоснования долгой жизни тех, кто живет в горной местности. Он является основателем киевской школы гипоксии. В столичном Институте физиологии им. Богомольца НАН Украины есть отдел, который изучает гипоксию и ее действие на организм и на отдельные клетки. Кроме того, есть и общая большая монография нынешнего нобелевского лауреата Грегга Семенца и украинских ученых о прерывистой гипоксии.

“В киевской школе гипоксии создали современную, так называемую Украинскую классификацию гипоксии, которой сейчас пользуется весь мир. С легкой руки профессора Ирины Маньковской в ​​Украине начались исследования молекул, которые открыл Грегг Семенца. Исследование этих процессов продолжаются и дальше. Это очень перспективно. Ведь, имея прибор гипокситрон, мы можем открыть новые способы его применения в будущем“, – заключает генетик.