###1###Дофамин и дофаминовая система
Дофамин, известный многим как «гормон удовольствия», — один из важнейших нейротрансмиттеров человеческого мозга. Нейротрансмиттер — это химическое соединение, которое передает сигнал от одного нейрона к другому, от одной клетки к другой. Возможности фармакологического воздействия на дофаминовую нейропередачу чрезвычайно разнообразны: в частности, поэтому
дофамин в массовом сознании неразрывно связан и с наркотическими веществами. Кокаин и амфетамин, вызывающие эйфорию, наслаждение, психомоторную стимуляцию, работают именно через дофаминовую систему путем повышения концентрации дофамина в так называемой синаптической щели.
Когда дофамин синтезируется, он запасается в нейроне (нервной клетке) и выделяется при возбуждении нейрона. Однако для удаления избытка дофамина работает дополнительный механизм обратного захвата: выделившийся дофамин быстро захватывается обратно в нейрон из синаптической щели с помощью белка, который называется «дофаминовый транспортер». Именно этот механизм нарушают кокаин и амфетамин: при их введении в организм обратный захват не происходит, дофамин не поглощается, и происходит необычайно сильное возбуждение нейронов.
Дофамин был впервые синтезирован в 1910 году, но многие годы он считался лишь предшественником адреналина и норадреналина. Только в 1958 году шведский ученый Арвид Карлссон обнаружил, что дофамин является важнейшим нейротрансмиттером в мозге. Более чем через 40 лет, в 2000 году, за это открытие ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Кроме наркотической зависимости нарушение механизма выделения-поглощения дофамина приводит к возникновению ряда серьезных заболеваний мозга.
Например, болезнь Паркинсона связана с гибелью дофаминовых нейронов. При потере 70–80% этих нейронов возникают симптомы паркинсонизма: нарушение движения, тремор (дрожь в конечностях). В дальнейшем больные теряют способность производить произвольные движения. Таким образом, дофамин регулирует и двигательную активность. Австрийский ученый украинского происхождения Олех Хорникевич, который в 1960 году впервые описал дефицит дофамина при болезни Паркинсона и в 1961 году доказал эффективность лечения с помощью предшественника дофамина леводопы, к сожалению, так и не получил абсолютно заслуженную Нобелевскую премию (вместе с Арвидом Карлссоном). Но леводопа до сих пор является самым эффективным средством при лечении болезни Паркинсона, и имя Олеха Хорникевича вписано золотыми буквами в историю неврологии.
Таким образом, низкий уровень дофамина приводит к нарушению регуляции движения, тогда как повышенный уровень дофамина вызывает гиперактивность, физическое и психическое возбуждение.
Согласно современным представлениям, психотические состояния провоцируются дофамином, поэтому все ныне действующие антипсихотические лекарства основаны на механизме воздействия на дофаминовую систему, а именно — путем блокады дофаминовых рецепторов подтипа D2. Таким образом, предполагается, что психоз провоцируется дофамином (в частности, вызывать психозы способен амфетамин). На сегодняшний день ведущие фармацевтические компании разработали множество соединений, которые активируют или блокируют рецепторы дофамина или связанные с ними ферменты.
Действие дофамина и причины, вызывающие его выброс, очень разнообразны. И секс, и прием наркотических средств, и алкоголь, и курение вызывают повышение уровня дофамина в мозге. Множество вещей, которые доставляют удовольствие, работают через повышение концентрации дофамина в определенных отделах мозга. Поэтому повышенный интерес к дофамину обусловлен не только его возможностями для фармакологического воздействия, но и связью с различными типами социального и асоциального поведения.
Моя область интересов относится к нейрофармакологии заболеваний мозга, я пытаюсь понять патологические процессы, вовлеченные в заболевания мозга, и на основании понимания этих процессов прийти к потенциально новым возможностям воздействия на дофаминовую систему, разработать новые подходы лечения паркинсонизма, шизофрении, синдрома дефицита внимания и гиперактивности у детей (СДВГ), а также в какой-то степени депрессии как потери возможности наслаждаться окружающим миром. Стоит подчеркнуть, что
психотропные лекарства — это часто обоюдоострое оружие, которое иногда и лечит, и калечит одновременно.
Поэтому поиск новых эффективных средств, которые будут прицельно влиять на нарушенные процессы в мозге с минимальными побочными эффектами, остается приоритетным направлением в современной фармакологии. Мы активно сотрудничаем с рядом ведущих международных фармацевтических компаний и надеемся, что наработанные нами знания однажды приведут к появлению в клинической практике новых лекарственных средств для лечения этих заболеваний. Изучая дофаминовую систему, мы также приближаемся к пониманию возникновения наркомании, хотя я лично считаю, что от нее вряд ли когда-нибудь будет найдено абсолютно эффективное лекарство.
Кроме того, я занимаюсь изучением и других моноаминовых нейротрансмиттеров — именно к этому классу относится дофамин. Их несколько, они объединены одинаковыми организационными принципами, однако работают в других структурах мозга. Прежде всего, это серотонин и норадреналин. Например, одно из самых популярных и эффективных средств для борьбы с депрессией — прозак — является ингибитором обратного захвата серотонина.+++
###2###Модификация генома: возможности и перспективы
В последние лет 20 произошел определенный переворот в биологии, который стал частью постгеномной революции. Люди научились производить на мышах (и не только на них) практически любые генетические манипуляции. Таким образом, можно создавать экспериментальных животных для исследований мутаций, связанных с определенными заболеваниями человека. Можно убрать какой-либо белок, увеличить в 10 раз его содержание, смоделировать точечную мутацию, заменить один белок другим. Соответственно, появилась возможность манипуляции на живом организме на уровне белков, которые могут быть вовлечены в дофаминовую передачу. Это дало нам возможность изучать последствия мутаций на целостном организме.
Изучая генетически модифицированных животных, мы видим, как фармакологические вещества будут действовать, если убрать главную мишень их воздействия.
Американский ученый Оливер Смитис, разработавший методику специфических генных модификаций у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток, удостоился в 2007 году Нобелевской премии за свою работу (вместе с Марио Капекки и Мартином Эвансом), и важность ее трудно переоценить.
В нашей работе мы используем в основном так называемую нокаутную технологию на мышах, когда работа одного из генов полностью выключается.
В России, к сожалению, такие работы ведутся всего в нескольких лабораториях, так как они материально затратны, содержать животных не так просто,
а в мире этот подход развивается совершенно невероятными темпами.
Плюс грызунов, в частности мышей, в том, что они не так сильно отличаются по геному от людей. Кроме того, их можно быстро скрещивать, новое поколение появляется уже через три месяца. То есть временные рамки не позволяют провести такой эксперимент на приматах или на слонах, к примеру, а на мышах — можно. Трансгенная и, в частности, нокаутная технология перевернула всю биологию и медицину. Теперь как только обнаружена мутация в гене, связанная с каким-либо заболеванием, сразу создается модель этой болезни на мышах. Создавая породу животных с такой же мутацией, ученые как бы переносят болезнь на нее. Грызуны-мутанты служат моделью для тестирования новых лекарств, создания новых подходов к лечению, генерации новых идей. Сейчас генетически модифицированные животные — это уже почти рутина, массовые опыты проводятся во многих странах. Только так сегодня можно работать в биомедицине, если есть желание и надобность работать на мировом уровне. Конечно, мутации можно моделировать и на клеточных культурах, но клетки — это не целостный организм, эти модели не всегда работают, особенно в случае таких сложных болезней, как заболевания мозга.
Во время моей работы в Университете Дьюка в США (где я до сих пор являюсь адъюнкт-профессором при лаборатории, которой руководит Марк Карон) мы были одними из первых ученых, показавших возможности нокаутных технологии в нейрофармакологии. На данный момент в этой лаборатории в Университете Дьюка выведено и используется уже около 45 разнообразных генетически измененных пород мышей, и все эти изменения относятся в основном к дофаминовой, серотониновой и норадреналиновой системам.
В целом же возможности воздействия на геном поразительны. И в нашем организме, и в организме мышей около 25 тыс. генов. Каждый ген кодирует один белок, то есть всего у нас около 25 тыс. белков. С помощью генетических подходов мы можем нокаутировать их один за другим. На данный момент силами всех ученых мира сделаны около 5–6 тысяч нокаутов. Наиболее реальные мишени для фармакологии уже нокаутированы и детально исследованы.
Вся нынешняя фармакология базируется на работе всего с 500 белками.
Более или менее мы представляем функции еще 3–5 тысяч, а всего их 25 тысяч! В какой-то момент появилась идея последовательно нокаутировать все гены один за другим и создать полную базу данных.
Несколько консорциумов по организованному нокауту белков было создано и в США, и в Европе, и даже в Китае, чтобы систематически нокаутировать ген за геном и таким образом создать функциональную карту генома. В частности, американская компания Lexicon Genetics также взялась создать такую базу и вывела тысячи пород генетически модифицированных мышей. Но когда число исследованных генов достигло 4–5 тысяч, эта компания набрала столько идей и патентов, что отказалась от первоначального плана, решила остановиться и реализовывать уже имеющиеся идеи в качестве фармакологической компании (сейчас эта компания называется Lexicon Pharmaceuticals).
Одновременно ученые усложняют модели, с которыми работают: для изучения психиатрических заболеваний важно использовать животных с более высокой организацией. В 2009 году произошла еще одна революция в области нокаутных технологий: ученые научились нокаутировать гены крыс.
Крысы имеют более сложное поведение, поэтому на них лучше исследовать когнитивные функции, наркоманию.
Исследования на крысах — еще более дорогие методики, однако они позволяют более прицельно изучать такие сложные заболевания, как, например, шизофрения.+++
###3###Дофаминовая система и синдром дефицита внимания и гиперактивности
Наша группа отметилась рядом работ по моделированию на животных таких заболеваний мозга, как шизофрения, депрессия и болезнь Паркинсона, но, пожалуй, самая яркая и известная публикация посвящена роли дофаминовой передачи в возникновении синдрома дефицита внимания и гиперактивности у детей. Эта проблема насущная в США, поэтому нашу работу широко обсуждали, в частности, по CNN. Мы работали с модельными мышами, у которых был нокаутирован дофаминовый транспортер, то есть выключен механизм обратного захвата. Этот механизм, например, — мишень действия кокаина. Такие мыши отличаются экстремальной гиперактивностью, нарушением когнитивных функций, социального поведения, сна. Это довольно простая модель дофаминовой гиперактивности.
В принципе, на ней можно изучать эффекты антипсихотиков и такие заболевания, как наркомания, шизофрения и, в частности, СДВГ. Считается, что изменения в гене, который кодирует дофаминовый транспортер, являются наиболее вероятной причиной, ответственной за возникновение СДВГ. Судя по нарушениям в поведении и реакции на фармакологические воздействия, эти модельные мыши действительно ближе к СДВГ, чем к другим заболеваниям, хотя, конечно же, некоторые характеристики заболеваний, связанных с дофаминовой гиперактивностью, частично перекрываются.
Экспериментально установлено, что гиперактивные дети успокаиваются и концентрируют свое внимание, когда им дают психостимуляторы — амфетамин или риталин (метилфенидат).
Вещества, которые по определению должны вызывать активацию, почему-то успокаивают. Это открытие было сделано в 30-е годы, когда амфетамины использовали как лекарство буквально от всего сразу – от простуды до болей в желудке. Сначала он действительно помогает почувствовать лучше, потому что вызывает улучшение настроения на короткое время. Потом медики осознали, что это опасный наркотик, люди отошли от массового применения амфетаминов, и сейчас остались лишь 2–3 медицинских направления, где амфетамин разрешен к применению в клинической практике. Однако одно из них — лечение гиперактивных детей, у которых это хорошо известное наркотическое вещество вызывает успокоение и улучшение концентрации. Амфетамины и другие психостимуляторы в малых дозах применяются для лечения СДВГ с 1937 года (впервые этот эффект был описан американским ученым Чарльзом Брэдли), но хотя механизм этого действия неизвестен, он продолжает широко применяться и в наши дни во многих странах.
Нами было изучено действие амфетамина на генетически модифицированных мышах, у которых был нокаутирован дофаминовый транспортер. Формально на этих мышах амфетамины не должны оказывать никакого действия, так как механизм повышения уровня дофамина блокирован. Однако мы обнаружили очень интересный и в какой-то степени парадоксальный результат: наши нокаутированные мыши успокаивались при введении амфетамина, риталина (который по механизму действия близок к кокаину) и кокаина. Причина этого действия в том, что амфетамины, как и другие психостимуляторы, неселективны, они способны действовать и через дофаминовый, и через серотониновый, и через норадреналиновый пути. У наших модельных мышей был выключен механизм воздействия на дофаминовую систему, но психостимуляторы продолжали работать через два оставшихся пути, которые и обеспечили успокаивающее действие. Мы показали, что за этой главной мишенью — механизмом обратного захвата дофамина — скрываются и другие мишени, которые даже важнее основной в плане успокаивающего эффекта.
Однако если основная мишень — не дофаминовая система, то для воздействия на нее уже необязательно использовать амфетамин. Возможно, для успокоения достаточно повысить уровень серотонина. Многие, наверное, слышали, что бананы содержат серотонин, однако это не совсем так. Они содержат триптофан – аминокислоту — предшественник серотонина. Фермент, который производит серотонин из триптофана, частично ответственен за депрессию — часто больные ей страдают нарушением этого механизма. Наши нокаутированные мыши были вполне способны усваивать триптофан, мы дали им его, и после его введения они успокаивались не менее эффективно, чем при помощи амфетамина.
Таким образом, гиперактивных детей, как мы предполагаем, необязательно лечить амфетамином либо другими психостимуляторами, их можно просто заменить, к примеру, на более сбалансированную диету,
которая обеспечивала бы большее поступление триптофана в мозг.
Это исследование наделало много шума, так как амфетамины в педиатрической практике США крайне распространены. По закону, диагноз СДВГ имеют право ставить не только психиатры, но и школьные медсестры и даже психологи, а амфетамин в аптеке часто выписывают по рецепту от школьной медсестры. Вместе с тем в школах США полностью ограничено какое-либо насилие над детьми, поэтому учитель лишен обычных для нас рычагов усмирения шалунов. Чтобы обеспечить возможность полноценного учебного процесса, учителя пользуются легальными рычагами, обращаются к медсестрам, отмечая наиболее непослушных детей, и те на основании общепринятых правил выписывают рецепты на амфетамин и другие психостимуляторы. В результате этого,
по официальной статистике, СДВГ зарегистрирован у почти 10% всех американских детей, причем 10 лет назад считалось, что этот процент составляет не более 3–6%.
То есть каждый десятый ребенок в США получает амфетаминоподобную или кокаиноподобную терапию. Рынок этих лекарств составляет до $4 млрд в год. Среди медиков нет единства во мнениях по этому вопросу, они разделились на два лагеря. Одни говорят, что малые дозы психостимуляторов не вредят организму, вторые утверждают, что это подготовка детей к наркомании, прелюдия перед использованием более сильнодействующих средств в совершеннолетнем возрасте. Я лично придерживаюсь второго мнения. К счастью, в России такая терапия традиционно используется для детей очень редко и лишь в критических случаях, решение принимает консилиум детских врачей. Возможно, я не в курсе современных веяний, и ситуация в последние годы уже не та, не берусь утверждать безапелляционно. Однако в США фармацевтические компании, конечно, заинтересованы в таком огромном рынке психостимуляторов и «кормят» докторов, поддерживают гипотезу об их безопасности. По понятным причинам наша работа всколыхнула эти дискуссии с новой силой. +++
###4###Трейс-амины — сыр, шоколад и вино Трейс-амины имеют прямое отношение к так называемому чиз-эффекту — возникновению головной боли после употребления сыра и красного вина.
Оказалось, что эти продукты могут приводить к повышению концентрации тираминa, который через усиление выброса норадреналина регулирует кровяное давление. По такому извилистому пути идет сигнал о повышении давления, возникает головная боль.
Другой трейс-амин — бета-фенилэтиламин — содержится в шоколаде. Некоторые ученые считают, что он отвечает за чувство любви. По действию и структуре он очень близок к амфетамину (по сути дела, это эндогенный амфетамин), то есть активно высвобождает дофамин. Установлено, что содержание фенилэтиламина повышается после физических упражнений – отсюда, возможно, возникает чувство удовлетворения после физической нагрузки. Должен сказать, что гипотез о функции трейс-аминов более чем достаточно. Когда эти рецепторы открыли в 2001 году, комментарий о них в таком серьезном журнале, как Nature Medicine, носил легкомысленное название — «Найден шоколадный рецептор». В целом же наука о трейс-аминах изобилует идеями и предположениями, но нуждается в подтвержденных фактах: их мы и ищем. Это направление в нашей лаборатории ведет в основном Татьяна Сотникова, которая заинтересовалась этим проектом еще в Университете Дьюка в США.
В последнее время был достигнут определенный прогресс в изучении функций трейс-аминов: найдены специфические рецепторы, с которыми они связываются, это хорошая молекулярная «зацепка».
В организме человека таких рецепторов шесть, изучая эти рецепторы на мышах, мы пытаемся понять принципы их работы, чтобы сделать лекарства нa их основе. Для исследования трейс-аминов мы модифицировали подход к исследованию. Теперь мы уже не нокаутируем гены, отвечающие за ферменты биосинтеза или самих трейс-аминов, так как они общие для ряда нейротрансмиттеров. Используя молекулярные подходы, мы нокаутируем рецепторы, что позволяет действовать более селективно. ###5###Итальянский институт технологий Итальянский институт технологий — научное учреждение, которое в каком-то смысле, возможно, является прототипом Сколково.
В последние годы Италия обеспокоена тем, что ее наука стала отставать от мирового уровня, многие ведущие итальянские ученые, способная молодежь предпочитают работать за рубежом — эта проблема характерна и для России. Многие ученые уехали в Америку и Германию, мало кто возвращается домой. Итальянскую науку значительно тормозит иерархическая система, пожизненный статус профессоров, низкая мобильность, ничтожный по европейским меркам уровень финансирования: куда меньше, чем в Германии или Великобритании. Все это в конечном итоге снижает эффективность работы ученых.
Администрация премьер-министра Берлускони, люди в его окружении поставили амбициозную цель – создать в Италии большой научный центр мирового уровня, некий итальянский Массачусетский технологический институт (MIT) или Калифорнийский технологический институт (Caltech), который будет работать по новым правилам и станет локомотивом инновационного развития Италии. Так появился Итальянский институт технологий в Генуе. На работу были приглашены много иностранцев, что является революционным шагом для Италии.
Сейчас в штате состоят 40% иностранцев и 60% итальянцев, но практически все они имеют опыт работы за рубежом. Институт полностью англоязычный — и это революционно для Италии.
Сотрудники работают на условиях временных пятилетних контрактов, которые могут быть продлены — так итальянцы борются с проблемой застоя, который приносит наличие постоянной позиции. Институту выделено значительное финансирование и обеспечена достойная компенсация сотрудникам — примерно на уровне лучших немецких институтов (институтов общества Макса Планка), что для Италии составляет существенные суммы. Институт занимается исследованием наиболее передовых, «модных» научных проблем — нанотехнологии, робототехника и нанобиокогнитивные науки; не забыты и новые технологии в фармакологии. В принципе, об этом сейчас говорят в России в контексте Сколково и Курчатовского института. Конечно, на этапе создания ИИТ было много недоработок, связанных в основном с наивными представлениями бизнес-сообщества о принципах организации науки. Некоторые из этих проблем на сегодня решены, другие только усугубляются. Менеджмент пытается создать особую среду для исследований, чтобы ученые разных специальностей (физики, химики, биологи, медики) вместе создавали новые направления в робототехнике: изучении мозга, создании новейших вычислительных систем, нанотехнологий. В России это сегодня звучит как научная фантастика, в Италии скорее тоже, но здесь мы видим все же какие-то очертания реальности. Порой что-то получается, порой выглядит очень искусственно, но в целом прослеживается положительный прогресс. Если Сколково и Курчатовский институт будут развиваться по сценарию ИИТ, то, возможно, лет через пять эти организации окажутся на сегодняшнем уровне развития ИИТ. Мы уже сейчас сталкиваемся с будущими российскими проблемами, поэтому учет опыта ИИТ был бы крайне важен для Сколково и других мегапроектов, которые осуществляются или планируются в России.
С итальянцами нас сближает и культура, и менталитет, и непростая организация общества, и схожее отношение к работе и профессиональным обязанностям.
Сейчас много говорят об опыте реформ науки в Китае. Реформы и вправду очень успешные, но чтобы применять подобный опыт в России, в ней должно появиться много китайцев с их трудолюбием, упорством и аккуратностью. А вот образ итальянского Буратино (Pinocchio) у нас всем с детства понятен и всеми любим. Поэтому опыт непростых, но положительных реформ науки в такой стране, как Италия, особенно поучителен для России.
Формально ИИТ был создан в 2003 году; реально же здание было приведено в рабочий порядок в 2008 году, лаборатории мы получили в 2009 году. На первом этапе помогло то, что создатели института пригласили очень сильных ученых со всего мира, которые приехали со своим опытом, знаниями, проектами. Это фактически спасло институт, который сразу смог выдавать результаты мирового уровня. Если бы пришлось «честно» ждать новых, созданных и развитых уже здесь идей, то политической оппозиции, возможно, удалось бы разогнать ИИТ. Мы все хорошо знаем, как многие в Италии относятся к любому начинанию такой неординарной личности, как Берлускони. В определенный момент половина всех денег в Италии, выделенных на науку, ушла на создание ИИТ; было очень много критики, оппозиция обвиняла правительство в коррупции, в создании «кормушки» для «своих». Однако и система, выстроенная в ИИТ, и люди, привлеченные к работе, своим примером показывают, что это не так.
Научный директор ИИТ Роберто Чинголани — активный ученый действительно мирового уровня, крупнейший специалист по наноэлектронике и оптике, при своем 50-летнем возрасте он является автором более 550 публикаций (индекс Хирша — 46).
То же самое можно сказать и про практически всех глав департаментов этого института, которые не боятся честной научной конкуренции и искренне заинтересованы во внедрении современного менеджмента в итальянскую науку.
Конечно, многие рядовые ученые в университетах, финансированием которых «пожертвовали», выступали против создания ИИТ. Сейчас, когда пошли результаты, публикации, антагонизма стало меньше, но еще два года назад, когда мы только приехали сюда, ходили упорные слухи, что институт не оправдает затраченных средств и может быть закрыт. Критические письма были опубликованы даже в Science. Модернизация науки – дело непростое. В Италии решили избрать жесткий путь, в этом году сократят финансирование обычных университетов, параллельно увеличивая финансирование конкурсно избранных лабораторий, некоторые из которых формально включены в ИИТ, фактически находясь в других учреждениях и городах. Сейчас это уже около 10 центров по всей Италии, очень сильные, действительно мирового уровня. Теперь ИИТ представляет из себя национальную сеть, и это выглядит более серьезно, чем два года назад. Однако такой жесткий сценарий не может не вызывать негатива. Лучший, на мой взгляд, сценарий был реализован в Канаде около 20 лет тому назад. Там наука испытывала схожие трудности, многие талантливые ученые уезжали в США. Власти Канады сохранили старую систему, параллельно выстраивая новую, современную, с адекватным финансированием, где нужно бороться за получение грантов, где стимулируется конкуренция. За 10–15 лет они постепенно перевели всю массу на новую систему, вырастили в ней молодежь, и ситуация с наукой в Канаде сейчас совершенно иная.+++
Сейчас я работаю в Италии и продолжаю заниматься генетически модифицированными животными, моделирующими как вышеуказанные, так и уже другие расстройства. Наряду с классическими моноаминами, такими как дофамин, моя лаборатория изучает также так называемые трейс-амины (англ. trace amines) — «двоюродных братьев» дофамина, серотонина и норадреналина. В человеческом организме они найдены в низких концентрациях (отсюда и название — следовые амины), однако у беспозвоночных они играют огромную роль. Тирамин и октопамин — основные нейропередатчики у насекомых. В то же время их функция в организме людей совершенно неясна, хотя некоторые из них известны уже более 100 лет. В большом количестве они содержатся в еде, особенно в сыре и в вине.
В частности, в сотрудничестве со швейцарской компанией F. Hoffman-La Roche мы изучаем действие избирательных лекарственных средств, которые воздействуют на наиболее изученный рецептор трейс-аминов TAAR1. Эти исследования привели к очень интересным результатам, на основании которых эти вещества уже сегодня исследуются в клинике на предмет их эффективности при ряде психических заболеваний. Мы надеемся, что эти исследования приведут к появлению принципиально нового класса терапевтических средств для лечения ряда заболеваний мозга.+++
Отдельного рассказа заслуживает