Писателям-фантастам давно не дает покоя идея длительной обратимой «консервации» человека. В своих произведениях они усыпляют людей на несколько веков, чтобы те могли, нисколько не состарившись, долететь до далеких звезд или пережить природные катаклизмы. Такие сюжеты с биологической точки зрения представляются абсолютно нереальными. Разве возможно снизить почти до нуля скорость протекающих в нашем организме процессов? Мы можем притормозить бешеную активность клеток лишь на время остановки дыхания, т.е. всего на несколько минут. Более длительный перерыв в поставке кислорода чреват для организма серьезными последствиями.

Однако в природе есть множество живых существ, способных обратимо замедлять жизненно важные процессы на длительный срок, иногда на несколько лет. Как бы ни называли ученые этот феномен (состояние покоя, оцепенение, зимняя спячка и др.), все это разные степени анабиоза, при котором происходит существенное торможение как выработки энергии, так и ее потребления. Более того, организмы пребывающие в подобном состоянии, обладают исключительной устойчивостью к внешним воздействиям: колебаниям температуры, дефициту кислорода и даже физическим повреждениям. Если удастся безболезненно погружать человека на длительное время в столь же глубокую летаргию, то для медицины это будет иметь огромное значение. Известно, например, что такие органы, как сердце и легкие, после извлечения их из тела остаются жизнеспособными не более 6 ча- сов, а поджелудочная железа и почки – не более суток. Таким образом, успех трансплантации зависит от времени доставки органа, и иногда приходится заранее транспортировать к месту проведения операции потенциального донора. Ежегодно в США успешно проводятся десятки тысяч операций по пересадке органов, но нередко из-за нехватки времени возникают нештатные ситуации.

Если бы предназначенные для трансплантации органы можно было перевести в состояние анабиоза, то в распоряжении врачей оказалось бы больше времени, сутки или даже недели. Погружение же в глубокий анабиоз жертв серьезных катастроф и аварий помогло бы спасти им жизнь.

Как показали исследования, проведенные в лаборатории Центра онкологических исследований Фреда Хатчинсона, можно вызвать искусственную гибернацию, напоминающую зимнюю спячку, у животных, которым в норме подобное поведение не свойственно. При этом они безболезненно переносят такие неблагоприятные условия, как большая потеря крови и кислородное голодание. Такие результаты позволяют надеяться, что когда- нибудь в состояние «отсроченной анимации» (suspended animation) можно будет переводить и человека. По крайней мере, те методы, которые мы использовали в опытах на лабораторных животных и тканях человека, предполагают такую возможность. Способность к гибернации, по-видимому, заложена во многих организмах и восходит своими корнями к самым ранним стадиям жизни на Земле.

Выживает тот, кто не спешит

Разнообразные живые существа, способные замедлять или останавливать клеточные процессы, обычно прибегают к таким мерам в ответ на неблагоприятные факторы окружающей среды и остаются в состоянии спячки до тех пор, пока эти факторы действуют. Например, семя какого-нибудь растения может находиться в покое годами, дожидаясь наступления благоприятных для роста условий. Подобным же образом эмбрионы морского рачка артемии могут сохранять жизнеспособность в течение пяти лет, обходясь без пищи, воды и кислорода, и выходить из состояния покоя, когда условия нормализуются. При этом они развиваются в полноценных взрослых животных.

Состояния «отсроченной анимации» варьируют от тех, при которых жизнедеятельность действительно отсутствует (любое внутриклеточное движение, обычно видимое в микроскоп, прекращается), до ситуаций, когда клеточная активность поддерживается, но темп ее существенно замедлен. Известно множество животных, которые могут на длительное время резко со- кратить потребности в пище и воздухе, т.е. впасть в зимнюю спячку. Их дыхание и пульс становятся почти неощутимыми, температура тела значительно понижается, а клетки потребляют очень мало энергии. Суслики и многие другие млекопитающие засыпают каждую зиму, а различные виды лягушек и саламандр спасаются аналогичным образом от летней жары.

Способностью выживать при длительном кислородном голодании благодаря резкому уменьшению выработки и потребления энергии эти животные резко отличаются от человека. Мы не можем обходиться без кислорода, наши клетки не в состоянии остановиться и перестать вырабатывать энергию. Когда содержание кислорода в тканях падает ниже определенного уровня, в клетках происходят нарушения, приводящие к отмиранию тканей. Инфаркт, инсульт и стенокардия являются последствиями дефицита кислорода, возникающего вследствие ишемии (закупорки или спаз- ма кровеносных сосудов).

НЕУМОЛИМОЕ ВРЕМЯ

Изолированные органы находятся под угрозой ишемического повреждения с того момента, когда их отключают от системы кровоснабжения организма-донора. Несмотря на инфузию холодного консервирующего раствора и транспортировку при низкой температуре, они могут потерять жизнеспособность, если до трансплантации пройдет слишком много времени. Это временно’е окно называется приемлемым, с медицинской точки зрения, временем «холодной» ишемии. По данным Объединенной сети по распределению органов, в прошлом году остались неиспользованными 3216 органов; несколько сотен из них не подошли реципиентам по тем или иным причинам или не были доставлены вовремя.

Далеко не все события на молекулярном уровне, приводящие к ишемии, установлены, но ученые сходятся в одном: ключевую роль играет утрата способности клеток к устойчивому функционированию. Большую часть энергии клетки получают в результате расщепления АТФ (аденозинтрифосфата), который образуется в митохондриях в ходе окислительного фосфорилирования, процесса, нуждающегося в кислороде. При уменьшении содержания кислорода окислительное фосфорилирование замедляется и содержание АТФ уменьшается. Молекулы АТФ обычно расщепляются клетками в течение нескольких секунд после их поступления. Поэтому полагают, что ишемиче ское повреждение возникает после того, как клетки исчерпывают все запасы кислорода.

Положение становится еще серьезнее, когда в клетке продолжают протекать менее энергоемкие, но столь же жизненно важные процессы, что приводит к полной разбалансировке всей клеточной системы. Наконец, само окислительное фосфорилирование может оказаться опасным для клетки. Когда содержание кислорода падает ниже оптимального уровня, окислительное фосфорилирование сопровождается образованием свободных радикалов. Эти высокоактивные соединения получили широкую известность в связи с исследованиями процессов старения: выяснилось, что они могут повреждать ДНК и другие клеточные структуры. (О проблемах старения читайте в ближайших номерах журнала статью «Средство Макропулоса», подготовленную по материалам беседы с академиком В.П.Скулачевым.) При ишемии, в усло виях дефицита кислорода, наличие свободных радикалов еще более затрудняет выполнение клетками своих основных функций. Главная задача реанимационных и других мероприятий в таких ситуациях состоит в скорейшем восстановлении кровоснабжения, т.е. доставке кислорода тканям. Мы видели, однако, что животные в состоянии, близком к анабиозу, гораздо менее чувствительны к кислород-ому голоданию при ишемии. В надежде, что перевод человека в аналогичное состояние даст такой же эффект, мы решили более детально изучить механизмы, с помощью ко- торых животные впадают в спячку при дефиците кислорода.

На что способна нематода

Для исследования природы анабиоза мы использовали такие организмы, как дрожжи, эмбрионы полосатых данио и нематоду Caenorhabditis elegans.

Клетки большинства организмов нормально функционируют лишь при определенной концентрации кислорода. Если же его уровень падает до экстремально низких величин (состояние аноксии), то почти все клетки организма перестают вырабатывать и потреблять энергию. При промежуточных концентрациях кислорода (гипоксия) клетки пытаются функционировать в обычном режиме, но дефицит кислорода делает их работу неэффективной и потенциально опасной для них самих. Таким образом клетки, находящиеся в условиях кислородного голодания, можно спасти, если восстановить нормальную концентрацию кислорода или полностью перекрыть его поступление.

Последняя может погружаться в анабиоз на любой стадии развития, если попадает в условия аноксии (чрезвычайно низкое, . 0,001%, содержание кислорода) и способна пребывать в таком состоянии более суток. Прекращение доставки кислорода к тканям и органам человека в результате больших потерь крови или закупорки сосудов, по-видимому, не приводит к уменьшению его концентрации до уровня полной аноксии. В крови и ткани остается достаточно кислорода, чтобы протекало окислительное фосфорилирование, хотя и в замедленном темпе. Однако образующегося АТФ оказывается недостаточно для поддержания клеточной активности на должном уровне, и концентрация свободных радикалов увеличивается.

Чтобы имитировать состояние гипоксии у человека, можно поместить развивающийся эмбрион C. elegans в условия, когда концентрация кислорода находится на уровне 0,01–0,1%, что гораздо ниже нормального содержания кислорода в воздухе (21%) (нормоксия) и незначительно выше порога аноксии. В условиях гипоксии эмбрион не впадает в анабиоз, как это происходит при аноксии, а пытается продолжить эмбриогенез. В результате у него возникают серьезные повреждения, и он погибает через 24 часа.

Если же незначительно (всего до 0,5%) повысить концентрацию кислорода, то эмбрион будет развиваться нормально. Таким образом, немато- ды способны выживать в отсутствие кислорода (аноксии), впадая в анаби- оз, нормально развиваются при концентрации кислорода всего 0,5%, но при промежуточных концентрациях кислорода погибают.

Мы также показали, что у эмбрионов переход в состояние анабиоза в условиях аноксии – это не пассивная реакция на дефицит кислорода, а целенаправленный процесс. Нам удалось идентифицировать два гена, функционирующих во время аноксии, но не гипоксии. По-видимому, они играют существенную роль в блокировании клеточного цикла у эмбриона. Эмбрионам, у которых эти гены отсутствовали, не удавалось заморозить процессы деления клеток в условиях аноксии, и многие из них погибали.

Все это навело нас на мысль, что негативных последствий ишемии можно избежать не только таким естественным путем, как доставка кислорода к клеткам, но также уменьшением содержания кислорода.

Добавляя в воздух, которым дышат мыши, сероводород, мы практически превращаем их из теплокровных животных в холоднокровных.

Идея кажется противоречащей современной практике, но если она верна, это поможет сохранить многие тысячи жизней. Очень трудно поддерживать должный уровень оксигенации изолированного органа, предназначенного для пересадки, равно как и снабжать в достаточном количестве кислородом поврежденные ткани жертв несчастных случаев. Однако снизить содержание в них кислорода вполне реально.

Один из эффективных способов уменьшить снабжение клеток кислородом основан на использовании его имитатора – вещества, которое по своим физическим свойствам похоже на кислород и поэтому может связываться со многими из тех сайтов, что и О2, однако в химическом отношении отличается от него. Например, монооксид углерода (угарный газ) конкурирует с кислородом за связывание с одним из участников окислительного фосфорилирования, цитохром с-оксидазой, которая обычно связывается с О2, но при этом в генерации АТФ оксид углерода участия не принимает.

Нам было интересно выяснить, можно ли защитить эмбрионы C. elegans от ишемических повреждений, которые происходят при промежуточных концентрациях кислорода, если добавить в гипоксичную среду монооксид углерода и таким образом симулировать аноксию. Обнаружилось, что в таких условиях эмбрионы действительно погружаются в глубокий анабиоз и тем самым избегают гибели. Данные проведенных ранее исследований на более крупных животных и интригующие истории о жертвах несчастных случаев, которые выжили в условиях недостатка кислорода, навели нас на мысль, что механизм, спасающий нематод от гибели, возможно, есть и у более сложных существ.

Спасительная пауза

В пользу того, что даже у достаточно крупных млекопитающих при уменьшении концентрации кислорода в крови снижается частота повреждения тканей, свидетельствует множество фактов, в частности те, которые касаются животных, впадающих в спячку естественным путем. Так, по данным Келли Дрю (Kelly Drew) из Института арктической биологии при Университете в г. Фэрбанкс штата Аляска, введение микрозондов в головной мозг арк тического суслика, находящегося в спячке, практически не приводит к повреждению мозговой ткани. У бодрствующих грызунов, подверг- шихся такому же вмешательству, наблюдались негативные изменения. Были предприняты попытки «усыпить» животных, обычно не впадающих в анабиоз.

Временный переход организма в состояние анабиоза при аноксии – это целенаправленный процесс.

Исследователей интересовало, может ли это привести к замедлению клеточных процессов без негативных последствий и защитить ткани на достаточно продолжительное время. Ныне покойный Питер Сейфар (Peter Safar) из Питтсбургского университета в течение 20 лет проводил опыты на собаках с тем, чтобы усовершенствовать методы введения животных в состояние глубокого анабиоза. У каждой из 14 подопытных собак исследователи вызывали остановку сердца и полностью обескровливали тело, затем заполняли кровеносные сосуды физиологическим раствором, который переносит кислород гораздо хуже, чем кровь, поэтому концентрация О2 в тканях резко падала. Животные теряли сознание, переставали дышать, у них не прослушивался пульс.

Затем была выделена контрольная группа из шести собак и вторая группа из восьми животных, которым удалили селезенку – не жизненно важный орган. После 60-минутного пребывания в глубоком анабиозе всех собак вернули к жизни, перелив им кровь. Спустя 72 часа собаки все еще были живы, и ни у одного из животных контрольной группы не наблюдалось никаких отклонений от нормы. У четырех из восьми оперированных собак тоже было все в порядке, но у остальных четырех обнаружились небольшие неврологические нарушения.

Самые примитивные одноклеточные организмы появились на Земле примерно 4 млрд. лет назад в атмосфере, почти лишенной кислорода, но богатой серосодержащими соединениями, такими как сероводород (H2S). Со временем они научились использовать H2S в тех же целях, в каких современные организмы используют кислород – для выработки энергии с помощью окислительного фосфорилирования. Не вызывает сомнения, что многие ключевые этапы нынешнего окислительного фосфорилирования восходят своими корнями к глубокой древности, когда атмосфера Земли была насыщена серосодержащими соединениями. Например, цитохром с-оксидаза, фермент, участвующий в биохимических реакциях, связанных с процессом дыхания, сходен с аналогичным компонентом дыхательной цепи, в которой место кислорода занимает сероводород.

Однако метаболические процессы с участием кислорода, с одной стороны, и серы – с другой могут быть связаны между собой не только в эволюционном плане. Сероводород вырабатывается в нашем организме и сегодня, что кажется весьма странным, если учесть, что он может занимать в цитохром с-оксидазе места присоединения к ней кислорода. Не исключено, что с переходом древних организмов на кислородное дыхание сероводород стал выполнять какую-то другую функцию.

Эти два вещества охотно взаимодействуют друг с другом, а процесс постоянной отдачи и присоединения электронов служит фундаментальной особенностью всего живого. Феномен передачи электронов от атома к атому называется окислительно-восстановительной реакцией. Он лежит в основе выработки энергии у всех биологических систем, и многие организмы подыскивают для себя такую среду, где окислительно-восстановительный потенциал максимален. В теплых океанских водах, например, где растворенные газы перемешиваются прежде всего благодаря диффузии, кислород, вырабатываемый фотосинтезирующими организмами, которые обитают у поверхности, днем опускается в глубины вод, а ночью поднимается к их поверхности. В отличие от этого H2S непрерывно диффундирует из нижних слоев (он является одним из побочных продуктов метаболизма существ, которые живут за счет разложения органических остатков, скапливающихся на дне океана). Постоянное столкновение между потоками газов создает химически нестабильный слой, в котором происходит быстрый обмен электронами. Именно его выбрали в качестве местообитания сонмы микроорганизмов, таких как подвижная нитчатая бактерия Baggiatoa alba, а также многие одноклеточные эукариоты. Плотность живых существ здесь так велика, что они образуют обширный плотный ковер. Может быть, наш организм и другие дышащие кислородом существа тоже находятся в поисках окислительно- восстановительного равновесия. Однако мы не нуждаемся во внешнем источнике H2S, поскольку вырабатываем его сами, что позволяет нашим клеткам оставаться в оптимальном, химически нестабильном окружении. Смею высказать предположение, что способность сероводорода связываться с цитохром с-оксидазой стала причиной того, что он оказался частью внутриклеточной программы, направленной на замедление или полное блокирование окислительного фосфорилирования. Этот защитный механизм незаменим в ситуациях, когда клетки могут нанести ущерб сами себе, стараясь вырабатывать и использовать энергию в условиях аноксии или, напротив, избыточной концентрации кислорода.

Пещера Лечугилья в Нью-Мексико – одно из многих мест на Земле, где все еще живут окисляющие серу бактерии, возможно, сходные с древнейшими микроорганизмами.

Питер Рии (Peter Rhee) с коллегами из Военно-медицинского университета использовали аналогичную методику для погружения в анабиоз 15 свиней йоркширской породы и провели у некоторых из них операции на сосудах. По данным Рии, память и способность к обучению у всех испытуемых животных не пострадали.

По своему физиологическому статусу собаки и свиньи очень близки к человеку, поэтому данные исследования вызвали большой интерес. Стали раздаваться голоса, что подобные методики после их усовершенствования очень скоро можно будет использовать в экстренных ситуациях – например, в отделениях реанимации.

Следует, впрочем, иметь в виду, что обескровливание – весьма радикальная мера с возможными серьезными негативными последствиями. Поэтому мы сейчас занимаемся поисками более мягких способов воздействия на организм с целью временного прекращения доставки кислорода. Например, донорский орган, предназначенный для пересадки, для погружения в анабиоз можно поместить в герметичный контейнер и насытить ткани монооксидом углерода, как мы это делали с эмбрионами C. elegans. Когда все будет готово для имплантации, достаточно будет ввести в него кровь, чтобы восстановить снабжение кислородом. Как показывают результа- ты наших экспериментов на образцах тканей человека, такой подход позволяет существенно повысить жизнестойкость органов, предназначенных для трансплантации.

Воздействия монооксида углерода на изолированные органы легко обратимы, чего нельзя сказать о живом организме с сохраненным кро- вообращением. Молекулы монооксида углерода прочно связываются с теми же участками в эритроцитах, что и кислород, так что использовать этот газ для спасения жизни жертвам несчастных случаев вряд ли возможно. Нужно искать другие заменители кислорода.

Большая часть протестированных веществ, как и монооксид углерода, оказались настоящими ядами, поскольку они подавляли способность клеток поглощать кислород. К числу таких газов относится и серо водород (H2S). Чтобы определить летальную дозу H2S, были проведены исследования на грызу- нах. Полученные данные послужили отправной точкой, и опыты на мышах мы начали с использования меньших доз, с тем чтобы подобрать условия обратимости анабиоза. Мы поместили мышей в герметичную камеру, содержащую сероводород в концентрации 80 миллионных долей, и обнаружили, что количество углекислого газа, выдыхаемого мышами, уменьшилось втрое в течение первых пяти минут, а температура тела начала падать. Животные перестали двигаться и, казалось, впали в кому. Через несколько часов интенсивность метаболизма, если судить по количеству выдыхаемого углекислого газа, упала у них в 10 раз. Частота дыхания уменьшилась до 10 вдохов в минуту (при ста двадцати в нормальных условиях). Температура тела упала с 37^о С до величины, превышающей температуру окружающей среды всего на 2^о С, независимо от значения последней. Мы смогли понизить температуру тела мышей до 15^о С, просто охлаждая камеру, в которой они находились. Аналогичная зависимость температуры тела от тем- пературы внешней среды наблюдается и у животных, впадающих в зимнюю спячку.

Итак, в атмосфере сероводорода подопытные мыши превратились из теплокровных существ в холоднокровных, что и происходит с животными в естественных условиях во время спячки. Через шесть часов мы вернули мышей к нормальной жизни и провели серию экспериментов, чтобы проверить, появились ли у животных какие-нибудь функциональные или поведенческие отклонения. Обнаружилось, что все грызуны вернулись в нор- мальное состояние.

От мыши к человеку

Сейчас мы проводим аналогичные эксперименты с более крупными животными и надеемся, что сероводород окажется как раз тем веществом, с помощью которого удастся погружать в состояние, подобное анабиозу, животных (в том числе человека), для которых в норме та- кое поведение несвойственно. Как мы уже говорили, H2S является ядом, хотя он вырабатывается в нашем организме. Уникальная роль этого вещества в регулировании энергетических процессов в клетках организмов, которые дышат кислородом, пока не осознана. А между тем во времена, когда наша планета была совсем молодой и кислорода в ее атмосфере почти не было, сероводород играл роль его заменителя (см. вставку слева).

Прежде чем можно будет приступать к изучению вопроса о возмож- ности погружения человека в анабиоз с помощью сероводорода, нужно ответить на многие вопросы, и самый главный из них – способен ли человек переходить в это состояние. Есть точные данные, что он может обходиться без кислорода в течение нескольких часов. Так, широко известна история спасения одной норвежской лыжницы, которая провалилась в ледяную воду и провела под водой более часа. Когда спасатели обнаружили женщину, она находилась в состоянии клинической смерти – не дышала, у нее не прощупывался пульс, температура упала до 14^о С. Реанимационные процедуры заняли девять часов и закончились успехом: женщина полностью выздоровела.

Бит Уолпот (Beat H. Walpoth) и з Бернс кого Университета (Швейцария) проанализировал еще 32 случая гипотермии, при которых температура тела пострадавших опускалась до 17–25о С и многие из них в момент обнаружения спасателями не подавали никаких признаков жизни. Почти половина пострадавших – 15 человек – полностью оправились от травм и шока.

В момент обнаружения пострадавшие не дышали, концентрация кислорода в тканях была очень низка. Такие факты наводят на мысль, что клетки человека тоже обладают способностью обратимым образом замедлять или останавливать свою активность в ответ на неблагоприятные условия. Но почему одни люди при этом выживают, а другие – нет? Ответив на вопрос и сопоставив механизмы естественного перехода в состояние анабиоза и искусственной гибернации, мы, возможно, обнаружим, что способность погружаться в состояние «между жизнью и смертью» заложена в самом нашем организме.