Открыт механизм действия ингаляционного наркоза: все дело в липидных «плотах»

История общей анестезии, без которой была бы невозможна современная хирургия, насчитывает без года 175 лет. Способность эфира вызывать потерю сознания была впервые продемонстрирована пациенту с опухолью в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне в 1846 году, в «хирургическом театре», который позже стал известен как «эфирный купол». Этот момент был даже запечатлен на картине «Первая операция под наркозом» Роберта Хинкли.  Новая статья исследователей из Института Скриппс, опубликованная в Proceedings of the National Academies of Sciences (PNAS) наконец-то дает ответ на «дедушку медицинских загадок» и показывает, как все-таки действует ингаляционный наркоз.

Упорядоченные кластеры в мембранах клеток под воздействием наркоза становятся неупорядоченными и большими, выпуская фермент фосфолипазу

Еще в 1899 году немецкий фармаколог Ганс Хорст Мейер, а затем в 1901 году британский биолог Чарльз Эрнест Овертон пришли к выводу, что механизм действия таких анестетиков  как эфир или хлороформ кроется в том, что они способны растворять липиды, из которых состоит мембраны клеток.  Но предположить – это одно, а доказать – это другое.

Открытие химика Ричарда Лернера (Richard Lerner) и молекулярного биолога Скотта Хансена (Scott Hansen) решает вековую научную дискуссию, которая все еще кипит сегодня: действуют ли подобные вещества непосредственно на клеточные мембранные ворота, называемые ионными каналами, или они каким-то образом действуют на  самум мембрану, вызывая неизвестные пока сигнальные каскады?

Пять лет исследований с использованием новейших «нобелевских» технологий привели ученых к выводу, что действие ингаляционного наркоза – это двухэтапный процесс, который начинается в мембране. А точнее – в особых ее структурах, которые называются липидными рафтами (то бишь «плотами»).

Сделаем небольшое лирическое отступление. До 1980-х годов считалось,  что мембранные белки в клеточной мембране свободно плавают и распределены по ней случайным образом. Однако в 1970-х годах исследователи открыли существование особых мембранных микродоменов, которые получили название «липидные рафты». Эти «плоты» обогащены гликофосфолипидами, они координируют клеточные процессы, регулируют перемещение мембранных белков – рецепторов, а в нейронах регулируют нейротрасмиссию.

Схема строения липидного рафта. 1 — мембрана вне рафта; 2 — липидный рафт; 3 — трансмембранный белок, ассоциированный с рафтом; 4 — не-рафтовый мембранный белок; 5 — модификации гликолипидов или гликопротеинов путём гликозилирования; 6 — GPI-заякоренный белок; 7 — холестерин; 8 — гликолипид

Вернемся к работе Лернера и Хансена. Ученые использовали микроскопию dSTORM (один из методов оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, за которую была вручена Нобелевская премия по химии 2014 года) и сумели показать, что временное воздействие ингаляционного наркоза приводит к тому, что липидные кластеры перемещаются из упорядоченного состояния в неупорядоченное, а затем обратно, что приводит к множеству последующих эффектов, которые в конечном итоге вызывают изменения в сознании.

Хансен вспоминает, что обратился к поиску в Google при составлении заявки на грант, чтобы продолжить исследование механизмов наркоза, думая, что он не может быть единственным, кто убежден в роли мембранных липидных рафтов в этом процессе. К восторгу Хансена, он нашел статью Лернера 1997 года в  том же PNAS «Гипотеза об эндогенном аналоге общей анестезии», которая предлагала именно такой механизм. Хансен уже давно смотрел на Лернера снизу вверх: буквально. Будучи аспиратном в Сан-Диего, Хансен работал в подвальной лаборатории с окном, которое выходило прямо на парковочное место Лернера в Scripps Research.

«Я связался с ним, и я сказал: «Вы никогда не поверите тому, что я скажу. Ваша статья 1997 года интуитивно описывала то, что я сейчас вижу в наших данных»», — вспоминает Хансен. 

Для Лернера это тоже был волнующий момент.

«Это дедушка медицинских тайн, —говорит Лернер. — Когда я учился в Медицинской школе в Стэнфорде, это была единственная проблема, которую я хотел решить. Анестезия имела такое практическое значение, что я не мог поверить, что мы не знаем, как все эти анестетики могут заставить людей потерять сознание».

Итак, что же было видно, когда клеточные культуры «купали» в парах хлороформа? Мембранные кластеры, именуемые GM1сильно увеличивались в объеме и в диаметре, что приводило к тому, что их содержимое «выливалось» наружу. В том числе – фермент фосфолипаза D2 (PLD2).

Пометив PLD2 флуоресцентным химическим маркером, Хансен смог наблюдать через микроскоп dSTORM, как PLD2 перемещается, подобно бильярдному шару от своего «дома» GM1 и переходит к другому, менее предпочтительному липидному кластеру, называемому PIP2. Это активирует ключевые молекулы внутри кластеров PIP2, среди которых TREK1-калиевые ионные каналы и их липидный активатор, фосфатидная кислота (PA). Активация TREK1 в основном «замораживает» способность нейронов генерировать потенциал действия.

«Калиевые каналы TREK1 высвобождают калий, и это гиперполяризует нейрон, что делает его более трудновосприимчивым к  возбуждению и просто отключает его», – говорит Хансен.

Лернер настаивал на том, чтобы подтвердить полученные результаты на живой модели. Обычные плодовые Drosophila melanogaster, предоставили эти данные. Удаление экспрессии гена PLD у мух сделало их устойчивыми к воздействию анестетиков.  Правда, не до конца. Дрозофилам требовалась двойная доза анестетика , чтобы вызвать ту же самую реакцию.

«Все мухи в конечном итоге потеряли сознание, что предполагает, что PLD помогает установить порог, но это не единственный путь, контролирующий чувствительность  к анестетику», — пишут авторы.

Хансен и Лернер говорят, что эти открытия открывают множество новых мучительных возможностей, которые могут объяснить другие тайны мозга, включая молекулярные события, которые приводят нас к засыпанию.

 «Мы думаем, что нет никаких сомнений в том, что этот новооткрытый путь используется для других функций мозга за пределами сознания, что позволяет нам теперь откалывать дополнительные тайны мозга», — говорит Лернер.

Текст: Алексей Паевский

“Studies on the mechanism of general anesthesia”. by Richard Lerner et al.
PNAS doi:10.1073/pnas.2004259117

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram