Про іонні канали, дослідження, які виконуються у відділі нервово-м’язової фізіології Інституту фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, важливість фундаментальних наукових результатів для подальших впроваджень у практику і роль цієї академічної установи в українській і світовій науці розповів в ексклюзивному інтерв’ю пресслужбі НАН України завідувач зазначеного відділу член-кореспондент НАН України Ярослав Шуба.
 Член-кореспондент НАН України Ярослав Шуба (фото люб’язно надав Ярослав Шуба) |
– Ярославе Михайловичу, якими фундаментальними і прикладними дослідженнями займаються співробітники Вашого відділу? Які вагомі результати вже отримано?
– Предметом наукового інтересу нашого відділу є іонні канали та їхня участь у фізіологічних і патологічних процесах. Оскільки не для всіх термін «іонні канали» може бути знайомим, то спочатку максимально доступно поясню, що за ним стоїть. Усі добре знають, що окремі клітини нашого організму оточені оболонкою, яка зветься мембраною. Наявність мембрани, з одного боку, забезпечує цілісність клітини, а з другого – уможливлює відмінність хімічного складу її вмісту (тобто цитоплазми) від того, що знаходиться у позаклітинному просторі. Клітинна мембрана утворена із жироподібних молекул – ліпідів – і є непроникною для водорозчинних компонентів внутрішньо- й зовнішньоклітинного середовищ. Та оскільки обмін такими компонентами для клітини є вкрай важливим, для його забезпечення матінка Природа «вкрапила» у клітинну мембрану багато різноманітних білків, які так і називають – «мембранними». Вони виконують найрізноманітніші транспортні та комунікаційні функції. Біологічні рідини є водними розчинами, в яких солі розпадаються на кислотні залишки – аніони і поєднані з ними катіони (наприклад NaCl, тобто звичайна кухонна сіль, у воді існує у вигляді катіону Na+ і аніону Cl-), а тому серед цих білків є й такі, що утворюють пори (отвори) через усю товщу мембрани, крізь які іони, що входять до складу біологічних рідин (тобто Na+, К+, Са2+ або Cl-: для всім зрозумілої асоціації – хімічний склад зовнішньоклітинної рідини подібний до морської води), можуть через мембрану проходити. Оці мембранні білки і називають іонними каналами. Причому ці білки не прості, а є справжніми «розумними» наномашинами (якщо білок каналу уявити у вигляді циліндра, то його діаметр становить приблизно 10 нанометрів, а висота – 15 нанометрів), спроможними відкривати і закривати свою пору під впливом певних хімічних (гормонів, нейромедіаторів, біологічно активних речовин, лікарських препаратів, кислотності та тонічності середовища) або фізичних (світла, тепла, холоду, механічного подразнення) чинників (стимулів) і при цьому пропускати не всі, а тільки вибрані іони. У різних клітинах нашого організму присутні дуже багато типів іонних каналів, які розрізняються за тим, на які стимули вони реагують і які іони селективно пропускають.
Чому іонні канали надзвичайно важливі? Тому що кожна клітина нашого організму – це ніби малесенька електрична батарейка: всередині клітини електричний потенціал на 40-80 мілівольт (залежно від типу клітин) більш негативний, ніж назовні. Оскільки цей потенціал утворюється на мембрані клітини, то його називають мембранним потенціалом. Будь-яку батарейку, щоб вона працювала, потрібно заряджати. Якщо батарея смартфона чи автомобіля заряджається через зарядний пристрій шляхом під’єднання до електромережі, то у нашому організмі на таку зарядку кожної(!) його клітинки витрачається в середньому 50% всієї енергії, яку ми споживаємо з їжею. Ця зарядка полягає у створенні за рахунок спожитої енергії асиметричної концентрації Na+, К+, Са2+, Cl- по обидва боки клітинної мембрани (наприклад, назовні багато Na+, Са2+, Cl-, а всередині їх мало, зате багато К+). А тепер уявімо собі, що якийсь тип іонного каналу під впливом якогось фізико-хімічного стимулу відкрився. Це приведе до того, що певний іон з того боку мембрани, де його багато, почне перетікати туди, де його мало, створивши трансмембранний електричний іонний струм і змінивши мембранний потенціал. А це означає, що фізико-хімічний стимул перетворився на електричний сигнал, який вже може, далі передаючись із клітини на клітину (знову таки завдяки роботі іонних каналів, але уже інших типів), «подорожувати» нашим організмом. Якщо іоном, який створює струм, є Са2+, то зовнішній стимул може викликати специфічну реакцію клітин (наприклад, скорочення, секрецію якоїсь речовини, таксис, поділ або смерть), адже природа вибрала саме іони Са2+ універсальним посередником в активації найрізноманітніших клітинних функцій. Отже, іонні канали – це ключові мембранні сигнальні білки, які в нашому організмі забезпечують перетворення найрізноманітніших стимулів у електрохімічну форму, придатну для подальшого розповсюдження й обробки різними клітинами і системами. Оскільки робота іонних каналів пов’язана із протіканням мембранних струмів і змінами мембранного потенціалу, то зареєструвати її на окремих клітинах можна методами електрофізіології. Щоб підкреслити, наскільки ці методи повинні бути чутливі і досконалі, скажу, що струм, який протікає через усю мембрану клітини, у середньому становить всього одну мільярдну частину ампера, а через один канал – одну трильйонну частину ампера.
Як і білки загалом, іонні канали кодуються генами, які науці вже всі відомі. Клітина сама регулює, які «канальні гени» увімкнути, щоб напрацювати (або, як кажуть науковці, «експресувати») потрібні їй канали. А тому кожен вид клітин нашого організму характеризується своїм, притаманним лиш йому «каналомом», тобто набором типів іонних каналів, які знаходяться в його мембрані та забезпечують унікальні сигнальні функції цих клітин. Термін «каналом» було введено за аналогією із більш широко відомими «геном», «протеом», «метаболом», аби підкреслити важливість цих білків. Порушення у функціонуванні клітинного каналому призводять до ураження клітинних функцій і, відповідно, до захворювань, які прийнято називати каналопатіями. До класичних каналопатій відносять, наприклад, серцеві аритмії, епілепсію, муковісцидоз. Більше того, перебіг багатьох розповсюджених, соціально значущих неінфекційних захворювань (включно з такими, як рак, діабет, гіпертонія, ішемічна хвороба серця) також може залежати від порушень каналому або супроводжуватися такими порушеннями.
Якщо конкретизувати, ми вивчаємо у нашому відділі каналоми різних клітин – нейронів, кардіоміоцитів (клітин серця), епітеліальних, гладком’язових (м’язових клітин, що утворюють стінки внутрішніх порожнинних органів) – і зміни у них при таких захворюваннях, як епілепсія, рак, діабет, інфаркт міокарда. Для всіх цих захворювань розроблено тваринні моделі (на щурах), які їх добре відтворюють, що значною мірою знімає проблему дефіциту експериментального матеріалу. Метою цих досліджень є виявлення іонних каналів, експресія чи функція яких змінюється при цих захворюваннях, з’ясування того, як ці зміни позначаються на патогенетичних ознаках захворюваннях і, зрештою, чи можна ці канали використовувати як мішені для терапії. Ці наші дослідження є суто фундаментальними – ми фактично постачаємо знання для майбутніх прикладних робіт зі створення таких терапій.
Щодо «вагомих результатів», то, як би мені цього не хотілося, але я не можу гучно заявити, що ми вирішили проблеми раку, діабету або ішемічної хвороби серця. Адже вирішення кожної з цих проблем можна порівняти зі спорудженням величезної будівлі, скажімо храму, яке ще далеке від завершення, а кожен конкретний досягнутий нами результат може розглядатися тільки як одна цеглинка, додана у зведення стін. Але я певен, що ці наші цеглинки вкрай важливі з точки зору з’ясування участі іонних каналів, бо публікуємо ми свої результати в англомовній міжнародній науковій літературі, а туди із малозначущими, невагомими результатами не візьмуть.
– Але ж, можливо, у Вас особисто і Ваших колег є здобутки, які вже успішно використовується на практиці або мають перспективи такого використання в майбутньому?
– Як я вже зазначав, наші дослідження є суто фундаментальними, а тому, коли мене питають про практичне застосування їхніх результатів, завжди доводиться ніби виправдовуватися, бо розумію, що на емоційному рівні люди очікують конкретної відповіді, скоріш за все, у вигляді якихось таблеток чи мікстур. У цьому контексті я завжди наводжу приклади з історії. У 60–70-х роках минулого сторіччя у США працювали дві групи дослідників, одна з яких зацікавилася, чому деякі мухи (мова йде про плодових мушок – дрозофіл) після їх іммобілізації ефіром лежать нерухомо, а в інших кінцівки і крильця продовжують тремтіти; друга – чому частина мух від спалаху світла втрачає зір, тоді як із іншими нічого такого не стається. Якби цих дослідників тоді спитали, які вони бачать практичні виходи зі своїх досліджень, то їм, напевно, теж довелося б якось виправдовуватися, бо, з точки зору «пересічного громадянина», цікавитись і витрачати кошти на з’ясування того, чому муха тремтить або сліпне – це нонсенс. На щастя, таких питань згаданим дослідникам не ставили, інакше через 20 років після того наука все ще не знала би про молекулярну організацію двох великих класів іонних каналів – калієвих і транзиторного потенціалу, а ще через 20 – не було б з’ясовано, в яких захворюваннях людини ці канали беруть участь.
Ще один приклад, актуальний для сьогодення. Тепер у зв’язку з пандемією COVID-19 вже, напевно, і діти дошкільного віку знають, що таке ПЛР (полімеразна ланцюгова реакція). Але не всім, можливо, відомо, що ПЛР було запропоновано у 1983 році, а до того впродовж 30 років (тобто з часу встановлення структури ДНК) зусиллями різних груп науковців тривали малопомітні, хоч від того й не менш важливі, дослідження з виявлення всіх компонентів і умов, необхідних для проведення такої реакції. До речі, американського вченого Кері Бенкса Мулліса, який усі ці компоненти склав докупи і провів перші ПЛР, у 1993 році удостоїли за це Нобелівської премії в галузі хімії. Тому фундаментальні дослідження і результати є самоцінними, а їхнє практичне застосування рано чи пізно знайде своє втілення. Причому затримка може становити десятки років.
Але це не означає, що науковці не повинні прагнути, аби їхні дослідження мали практичні перспективи вже на стадії постановки мети. Мішенями багатьох фармакологічних препаратів (наприклад, анальгетиків, місцевих і загальних анестетиків, антиаритміків, деяких антигіпертензивних засобів, цукрознижувальних антидіабетиків, кардіопротекторів, антиепілептиків), які застосовуються у сучасній практичній медицині вже тепер, є іонні канали. Цікаво, що деякі з цих препаратів почали вживатись у клініці ще до того, як було з’ясовано, що їх мішенями є іонні канали. Але ще більше таких препаратів – експериментальні, дозволені для використання тільки у дослідницькій роботі, бо вони або не достатньо специфічні, або канали – мішені їхньої дії широко розповсюджені у різних системах організму, через що вони можуть викликати значні небажані побічні ефекти. Тому ми зараз розвиваємо новаторський проєкт, який би дозволив використовувати такі препарати дуже локально, тільки у тому місці організму, де це потрібно, і тільки тоді, коли це потрібно. Для цього препарат планується інактивувати шляхом його приєднання до захисного нанокомплексу, який може вивільнювати активну форму препарату лише під дією вузького пучка рентгенівського випромінення (яке є високопроникним), спрямованого в ту область організму, де це потрібно зробити. У структурі нанокомплексу цей препарат буде неактивним, тому не викличе небажаних побічних дій. Ми співпрацюємо у створенні такої системи з фізиками і хіміками та сподіваємося, що в перспективі отримані результати знайдуть своє застосування у клінічній практиці. На нашу думку, такий підхід може бути корисним, зокрема, у протираковій терапії. Адже ракові клітини істотно змінюють свій каналом, і якщо певні типи каналів, які експресуються у ракових клітинах, повністю «відкрити», щоб іони могли через них вільно рухатись (іншими словами, закоротити «батарейку» ракової клітини, щоб її повністю розрядити), то це призведе до втрати мембранного потенціалу і летальних пертурбацій цитоплазматичного середовища, які ці клітини вб’ють.
– Чи співпрацюєте з іноземними колегами? Якщо так – із якими установами й за якими проєктами?
– Співпраця з іноземними колегами завжди корисна, оскільки створює умови для професійного взаємозбагачення, пришвидшує реалізацію ідей та уможливлює використання кращої експериментальної бази – закордонної. У різний час ми співпрацювали і співпрацюємо із багатьма з них. Особливо плідною є співпраця з науковцями Лільського університету (Франція) зі з’ясування змін каналому ракових клітин при їх злоякісному переродженні. Проведені дослідження показали, що ці зміни сприяють набуттю характеристичних ознак злоякісного переродження – таких, як зростання проліферативної активності (тобто розмноження) клітин, підвищення їхньої стійкість до апоптозу (тобто природньої загибелі клітин), посилення міграції та метастазування. Ми дійшли висновку, що набуття кожної з характеристичних ознак раку настільки залежить від того, які канали з’являються (експресуються) у мембрані ракових клітин і як вони працюють, що їх можна класифікувати як особливий тип каналопатій, а саме – онкоканалопатії. Тому фармакологічний вплив на канали потенційно дає інструмент контролю над небажаною поведінкою ракових клітин. Роботи у цьому напрямі інтенсивно ведуться, і вже є обнадійливі результати, але передбачити, коли вони перейдуть у широку клінічну практику, важко.
– На завершення дозвольте поцікавитися, чим особисто для Вас є Інститут фізіології. Чому, на Вашу думку, ця установа важлива для української науки?
– Коли 1980 року я вперше прийшов до Інституту аспірантом працювати (підкреслюю, працювати, бо до цього я в Інституті неодноразово бував, адже мій батько у ньому теж «виріс» – від аспіранта до академіка), то одразу відчув, що у стінах цієї установи відбувається щось особливе. Це був час, коли на повну використовувалися переваги нововинайденої в Інституті електрофізіологічної методики, яка дозволяла вимірювати мембранні струми і потенціали ізольованих нервових клітин в умовах, коли експериментатор міг довільно змінювати і контролювати хімічний склад не тільки зовнішнього, а і внутрішнього середовища нейрона (пропоную уявити собі, як це – зробити отвір у нейроні мікронних розмірів, вилучити через нього природню цитоплазматичну рідину, заміть неї увести штучну і щоб нейрон при цьому продовжував жити і генерувати електричні сигнали, а дослідник мав можливість їх вимірювати). Це надавало небачені доти експериментальні можливості. Тому співробітники працювали з величезним піднесенням, не шкодуючи ні часу, ні зусиль, щоб якомога швидше назбирати якнайбільше нових даних, ці дані обробити, обговорити і «запустити» у друк. А диригував усім цим злагодженим «науковим оркестром» Платон Григорович Костюк. Це дало можливість Інститутові в умовах радянської «залізної завіси» прогриміти на увесь світ і стати Меккою для західних науковців (мрію, щоб нинішні і майбутні здобутки Інституту сприяли відновленню цієї традиції). Ясно, що я, як «новачок», просто не міг не відповідати тій атмосфері, з усією пристрастю у неї занурився і досі ніяк не можу виринути. Тому мене особисто дуже обурюють деякі з «новоприбулих» у науку, які реально не знають і не усвідомлюють, як вона насправді робиться і якої віддачі потребує, а сприймають її як якесь хобі і здебільшого займаються не експериментальною роботою, а навколонауковою демагогією.
У той час в Інституті було описано кальцієві канали нервової клітини, відкрито рецептори протонів, рецептори аденозинтрифосфорної кислоти (іонні канали, які відкриваються хімічними речовинами, ще називають рецепторами), так званий низькопороговий різновид кальцієвих каналів тощо. На Заході підхопили і розвинули всі ці відкриття, але пріоритет назавжди залишився за нами. Це я говорю тільки про близьку мені тематику з іонних каналів. Але Інститут успішно розвивав і розвиває й інші напрями фундаментальної та клінічної фізіології і патофізіології. Причому попри всі негаразди пострадянського періоду і всупереч їм Інститут продовжує плідно працювати, залишаючись в Україні лідером не тільки фізіологічної науки, а й науки загалом, завдяки якому значною мірою цю науку в світі і знають. Це унікальна установа, яку сміливо можна назвати національним науковим надбанням.
***
Вибрані публікації
Shuba YM. Beyond Neuronal Heat Sensing: Diversity of TRPV1 Heat-Capsaicin Receptor-Channel Functions. Front Cell Neurosci. 2021 Feb 5;14:612480.
Philyppov IB, Sotkis GV, Rock A, Roudbaraki M, Bonnal JL, Mauroy B, Prevarskaya N,
Shuba YM. Alterations in detrusor contractility in rat model of bladder cancer. Sci Rep. 2020 Nov 12;10(1):19651.
Shuba YM. Ca2+ channel-forming ORAI proteins: cancer foes or cancer allies? Exp Oncol. 2019 Sep;41(3):200-206.
Vladimirova IA, Philyppov IB, Sotkis GV, Kulieva EM, Shuba YY, Gulak KL, Skryma R, Prevarskaya N,
Shuba YM. Impairment of cholinergic bladder contractility in rat model of type I diabetes complicated by cystitis: Contribution of neurotransmitter-degrading ectoenzymes. Eur J Pharmacol. 2019 Oct 5;860:172529.
Shuba YM. Use of scintillator-based nanoparticles for in vivo control of light-sensitive bioactive molecules. USA Patent No 10183081, Date of Patent: January 22 2019.
Prevarskaya N, Skryma R,
Shuba Y. Ion Channels in Cancer: Are Cancer Hallmarks Oncochannelopathies? Physiol Rev. 2018 Apr 1;98(2):559-621.
Sharopov BR, Gulak KL, Philyppov IB, Sotkis AV,
Shuba YM. TRPV1 alterations in urinary bladder dysfunction in a rat model of STZ-induced diabetes. Life Sci. 2018 Jan 15;193:207-213.
Sharop BR, Boldyriev OI, Batiuk MY, Shtefan NL,
Shuba YM. Compensatory reduction of Cav3.1 expression in thalamocortical neurons of juvenile rats of WAG/Rij model of absence epilepsy. Epilepsy Res. 2016 Jan;119:10-2.
Voitychuk OI, Strutynskyi RB, Yagupolskii LM, Tinker A, Moibenko OO,
Shuba YM. Sarcolemmal cardiac K(ATP) channels as a target for the cardioprotective effects of the fluorine-containing pinacidil analogue, flocalin. Br J Pharmacol. 2011 Feb;162(3):701-11.
Шуба ЯМ. Основи молекулярної фізіології іонних каналів. Київ, “Наукова думка”, 2010, 448 с. ISBN 978-966-00-1042-0. Навчальний посібник для студентів і аспірантів медико-біологічних спеціальностей.
За інформацією Інституту фізіології імені О.О. Богомольця НАН України
та Пресслужби НАН України