отдел кинетики химических и биологических процессов

Лаборатория физико-химических основ регуляции биологических систем

Лаборатория физико-химических основ регуляции биологических систем
Заведующий - д.б.н., профессор, академик РАЕН Бурлакова Елена Борисовна
Телефон: 137-31-27, e-mail: seren@sky.chph.ras.ru

Елена Борисовна Бурлакова вспоминает: «15 мая 1960 года я была принята в Институт химической физики после окончания аспирантуры. Н.М. Эмануэль сказал: «Распределяйся в химфизику. Моя жизнь там». Как утверждал Николай Маркович, «уже год он держал площадь для нас». Это была 221 комната в 8-м корпусе. Именно в это время он сделал для себя важный выбор. Отныне биология становилась для него равноправным направлением наряду с химическим направлением и к тому же, может быть, даже более любимым. Первыми шагами в науке для нашей группы радиобиологии было изучение «антиоксидантов как радиозащитных агентов» и установление связей между радиозащитным и противоопухолевым действием антиоксидантов. Казалось странным, как могут совмещаться такие разные свойства в одной молекуле? Важным также было выяснение вопроса, насколько биологические свойства антиоксидантов коррелируют с их физико-химическими свойствами. Сотрудниками группы радиобиологии стали дипломники МГУ - студенты химфака, которые занимались по программе, созданной по инициативе Н.М. Эмануэля по специальности «физико-химическая онкология». Это были Пальмина Н.П., Молочкина Е.М., Дзюба Н.М., Ерохин В.Н., Барсегян Л.Х. (Комиссарова), Шаулова (в лаборатории Липчиной Л.П.)., Зыбина Д.Л., Жижина Г.П. (в лаборатории Кругляковой К.Е.). В эти годы выходят первые работы по радиобиологии. Они оказались принципиально важными, поскольку позволили связать физико-химические характеристики антиоксидантов (в частности, их антиокислительную активность) с радиозащитной эффективностью при облучении мышей в летальной дозе ионизирующей радиации».

Препараты, проявляющие радиозащитное действие, проявляли и противоопухолевые свойства, но в существенно более высоких концентрациях. В это же время было обнаружено двойственное действие антиоксидантов на антиокислительную активность липидов. Оказалось, что в малых дозах они увеличивали антиокислительную активность, а в больших, после кратковременного ее повышения, - снижали ниже нормы. Именно в этих дозах препараты проявляли противоопухолевую эффективность. Основное внимание в нашей группе уделялось свободно-радикальным реакциям, развивающимся в липидной фазе мембран. Заметим, что в эти годы высказывалось сомнение в том, что мембраны вообще существуют, а утверждение о важной роли липидов мембран, а не ДНК вообще вызывало скептическую оценку и некоторые ученые даже называли это утверждение «плевком в сторону молекулярной биологии».

В эти годы были получены оригинальные данные, связанные с регуляторной функцией мембран в клеточном метаболизме, открыта физико-химическая система регуляции гомеостаза липидов и перекисного окисления липидов мембран, предложена модель памяти, основанная на жидкокристаллических изменениях в мембранах, которые позволяли с единых позиций объяснить процессы получения, передачи и хранения информации. На основании многочисленных исследований антиоксидантов разных по строению, химическому составу и свойствам были созданы основы антиоксидантотерапии тех патологических состояний, болезней, которые протекали на повышенном уровне свободнорадикальных реакций, и в свою очередь нормализовался при введении антиоксидантов. За эти годы вышла монография «Антиоксиданты в лучевом поражении и злокачественном росте», опубликовано более 300 статей, получено более десятка патентов.

В 1985г. антиоксиданты еще не относили к лекарственным средствам. Только в 1993 году они были впервые внесены Мошковским Л.Д. в его монографию «Лекарственные препараты». В 1983г. в нашей лаборатории были проведены первые эксперименты со сверхмалыми дозами (СМД) биологически активных препаратов, которые положили начало широкому кругу исследований в этой области. На первом этапе этих исследований мы полагали, что речь идет об особых свойствах синтетических антиоксидантов, для которых было обнаружено, что вещества, вводимые в широком диапазоне концентраций (начиная с 10-2 -10-3 до 10-17–10-18М), проявляют близкие биологические эффекты для доз, различающихся по величине на порядки. В последствии аналогичные эффекты были выявлены и для других групп соединений. Весьма интересным оказался факт наличия общих свойств у разных препаратов в СМД, это полимодальная зависимость эффекта от дозы, отсутствие эффекта в диапазоне концентраций, разделяющих эффекты СМД и обычно употребляемых доз, зависимость эффектов от начальных характеристик объекта, расслоение эффектов и др. Еще в 1993г. на II Конгрессе по нанонаукам и нанотехнологиям (г. Москва) мы предположили, что все эти эффекты являются размерными, и для объяснения свойств препаратов в СМД необходимо пользоваться научными подходами нанохимии.

В 90-х годах прошлого века Институт химической физики являлся одной из самых многочисленных по числу научных работников научной организацией в Академии наук. В момент перестройки возникли естественные причины для разделения его на несколько Институтов, поскольку для выживания тех или других направлений существовали разные возможности и подходы. Было выделено научное сообщество в Черноголовке, в котором уже много лет существовало крепкая инфраструктура и оригинальные научные направления. Поэтому одним из первых выделился Институт проблем химической физики РАН ( Черноголовка ) и Институт биохимической физики РАН. С этого времени (декабрь 1994г.) началась история нового Института. Все основные направления были сохранены и впоследствии развития составили основу нового Института.

На сегодняшний момент бывшая группа радиобиологии стала лабораторией физико-химических основ регуляции биологических систем и состоит из 50 научных сотрудников, из них 15 докторов наук (5 - д.б.н., 8 - д.х.н.) и 24 кандидата наук. Основные направления научной деятельности относятся к традиционным для лаборатории - это роль свободно-радикальных процессов в развитии патологических состояний и действии физических и химических факторов (ионизирующая радиация, биологически активные вещества, лекарственные средства). Много усилий в последние годы было отдано изучению нейродегенеративного заболевания - болезни Альцгеймера (БА), в развитии которого важную роль играют свободные радикалы. Наша точка зрения, что это мембранная болезнь и что основные изменения, определяющие течение болезни и биологические маркеры этой болезни связаны с изменением состава липидов, процесса ПОЛ и структуры мембран. Благодаря проведенным исследованиям, были предложены для лечения БА «гибридные» антиоксиданты из класса ИХФанов. Гибридные антиоксиданты – новое слово в антиоксидантотерапии. Речь идет об антиоксидантах, обладающих не только свойствами ингибиторов радикальных процессов, но и одновременно другими специфическими свойствами. Например, для ИХФанов наряду с антиоксидантными свойствами характерно влияние на активность ацетилхолинэстеразы (работы к.б.н. Елены Михайловны Молочкиной).

Следующим большим циклом работ является изучение механизмов действия сверхмалых (ультра) малых доз биологически активных веществ (БАВ). В последние годы большие успехи были достигнуты при изучении роли воды в этих эффектах. В группе доктора биологических наук Надежды Павловны Пальминой были выполнены работы in vitro по изучению закономерностей влияния антиоксидантов (токоферола, фенозана) и гормона (тиролиберина) на структурные характеристики мембран и роль воды в этих процессах. С применением новых методов исследования (инфракрасной спектроскопии) были обнаружены концентрационные области препаратов, в которых влияние воды было наиболее выражено. Надо указать, что последние годы были посвящены изучению роли нанопроцессов и наноструктур в действии ультранизких концентраций БАВ и облучения низкой интенсивности. Ранее были обнаружены специфические черты в закономерностях действия СМД. Эти черты, а также еще ряд принципиальных моментов находят свое объяснение на основе законов наномира. Мы обнаружили общность в характеристике черт наночастиц и нанокластеров и поведении СМД БАВ. В первую очередь это касается дозовых закономерностей (которые имеют полимодальный характер), обратной зависимости эффекта от мощности, равной эффективности БАВ в СМД для концентраций, различающихся на порядки, увеличения токсичности БАВ в СМД с уменьшением их концентрации, изменения температур структурных переходов и ряд других. Современная нанохимия позволяет объяснить эти закономерности.

Вновь возник интерес к механизму хранения, передаче и воспроизведению информации (памяти). Как и в случае болезни Альцгеймера важное место принадлежит структурным переходам в липидах мембран. Направленно влияя на них, можно направленно влиять на память и когнитивные способности. В настоящее время в Фармкомитете идет изучение (2-го года) нового препарата фенозана и его ноотропных и антидепрессантных свойств. Близко к исследованиям нейродегенеративных процессов является изучение геронтологических проблем.

В последнее время развернулись большие дискуссии относительно роли в старении свободно-радикальных механизмов. Существует мнение, что при естественном старении главной его причиной является укорочение теломер, а свободные радикалы только ускоряют старение. В лаборатории работает группа высокопрофессиональных геронтологов: д.б.н. Л.К. Обухова, к.б.н. В.Б. Мамаев, к.б.н. А.М. Оловников, к.б.н. А.В. Халявкин, которые изучают эффект Хейфлика, закономерности старения организма и отдельных его систем, исследуют антиоксидантную активность геропротекторов.

Биология старения в настоящее время не располагает методом оценки индивидуальной скорости старения, посредством которого можно было бы предсказать продолжительность жизни особи. Общепринятый анализ группового сравнения средних величин возрастных различий не дает возможности прогнозировать скорость старения организма и особенности процесса старения. Только пожизненное наблюдение животных позволяет проследить истинные возрастные изменения, совокупность которых складывается в адекватную динамическую картину старения.

В группе геронтологии исследованы индивидуальные возрастные изменения основных показателей, характеризующих старение мышей (вес тела, показатель функциональной моторной асимметрии, величина постоянного потенциала головного мозга, продолжительность жизни мышей) Показано, что старение не является только процессом накопления повреждений в клетках. Оно напоминает фазовый переход, который происходит в середине жизни, когда внешние признаки старости ещё отсутствуют, и ярко выражена нелинейность возрастных изменений. Наиболее существенным и значимым является наличие экстремумов и их хронологическое совпадение в критическом периоде позднего онтогенеза мышей (в возрасте 10-18 месяцев). Это позволяет сделать вывод о том, что процесс старения протекает неравномерно и имеется критический период в позднем онтогенезе мыши. На основе экспериментальных данных установлен эмпирический биотест, связанный с возрастом, поведением и продолжительностью жизни мышей, который имеет прогностическое достоинство предиктора продолжительности жизни, и позволяет в ходе опыта оценить результат воздействия (геропротекторы, диета, изменение физических условий и пр.).

Одно из важнейших научных направлений исследований лаборатории – систематическое изучение биологических эффектов малых доз (от 0,06сГр) ионизирующей радиации (ИР), которое было стимулированы аварией на Чернобыльской АЭС и общим техногенным повышением радиационного фона. В экспериментах на животных доказаны такие особенности дозовых закономерностей эффектов как нелинейность, бимодальность, беспороговость, зависимость от мощности дозы, отличная от зависимости острого облучения, а также наличие биофизических изменений длительное время после облучения.

В настоящее время вопрос о влиянии малых доз низкоинтенсивной радиации на развитие злокачественных опухолей является достаточно дискуссионным, поскольку имеются данные как о повреждающем действии малых доз (индукции канцерогенеза), так и о применении их в терапии опухолей. Загрязнение окружающей среды радионуклидами делает вопрос особенно актуальным. Для выяснения этого вопроса группой сотрудников (д.х.н. Г.П. Жижина, д.б.н. Е.М. Миль, к.б.н. В.Н. Ерохин, к.б.н. Л.Г.Наглер, к.б.н. А.И. Козаченко, к.б.н. С.М. Гуревич, к.б.н. Ю.А. Трещенкова, к.б.н. А.Н. Голощапов, к.б.н. Л.Д. Фаткуллина и др.) было проведено комплексное изучение воздействия низкоинтенсивной гамма-радиации в малых дозах на возникновение и развитие спонтанного лимфоидного лейкоза у мышей линии АКR, на иммунный и антиоксидантный статус и ряд биофизических и биохимических характеристик важнейших биомакромолекул и ключевых ферментов. Обнаружены более ранние проявления пострадиационных изменений этих характеристик при развитии опухолевого процесса: изменение конформации ДНК, структуры и функции мембран, концентрации супероксидных радикалов и ферментов антиоксидантной системы, активация процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), значительные нарушения метаболизма клеток мозга облученных мышей. Обнаруженные изменения динамики развития спонтанного лейкоза мышей линии AKR, сопровождаемые существенными сдвигами биохимических и биофизических характеристик важнейших макромолекулярных структур клеток и иммунного статуса животных, позволяют предположить, что они играют существенную роль как в индукции, так и в промоции лейкоза AKR при действии низкоинтенсивного излучения в малых дозах.

В связи с обнаруженными биологическими последствиями воздействиями малых доз ИР очень актуален поиск радиопротекторных соединений, эффективных при облучении низкоинтенсивной ИР. Были изучены возможности применения синтетического антиоксиданта (АО) фенозана в малых и сверхмалых концентрациях в качестве профилактического радиопротектора при облучении низкоинтенсивной γ -радиацией в малых дозах (до 1,2 сГр). Обнаружено радиопротекторное пролонгированное действие (в течение 1 месяца) и существенное влияние фенозана на многие биохимические и биофизические характеристики важных макромолекулярных и супрамолекулярных структур в организме мышей. В настоящее время фенозан (Препарат «Дибуфелон» ) с разрешения Фармкомитета РФ прошел первую стадию клинических испытаний по Протоколу: Исследование безопасности и переносимости препарата «Дибуфелон» (фенозан), - результатом которых является заключение о безопасности и хорошей переносимости препарата. Получено разрешение на проведение дальнейших испытаний. Готовится предложение в Фармкомитет РФ по использованию малых доз фенозана также в качестве противоопухолевого препарата.

В настоящее время большое значение имеет поиск и определение критериев оценки последствий действия низкоинтенсивного облучения в малых дозах и прогнозирования состояния здоровья человека через несколько лет после радиационного облучения в малых дозах, а также выявление группы повышенного риска населения в экологически неблагоприятных районах с повышенным уровнем радиационного фона. В связи с этим проведено сравнительное комплексное изучение ряда биофизических характеристик периферической крови человека: здоровых доноров и лиц, облученных малыми дозами ИР 5-6 лет назад (д.х.н. Г.П. Жижина, к.б.н. Л.Г. Наглер, к.б.н. А.И. Козаченко, к.б.н. С.М. Гуревич, к.б.н. Ю.А. Трещенкова, к.б.н. А.Н. Голощапов, к.б.н. С.И.Скалацкая, к.б.н. М.А. Смотряева, к.б.н. Л.Д. Фаткуллина, А.А. Конрадов и др.). Эти параметры характеризуют антиоксидантный статус организма, состояние мембран эритроцитов, повреждение генома, а также активность ферментов гликолиза. Обнаружено, что многие из этих макромолекулярных характеристик крови у контрольной группы отличаются от группы людей, получивших малые дозы ИР. Отмечены следующие изменения: снижение стабильности структуры ДНК, скорости гемолиза эритроцитов и микровязкости липидного бислоя мембран эритроцитов, изменение активности некоторых ключевых ферментов, активация апоптоза эритроцитов. Это позволяет предположить, что совокупность ряда изученных биофизических характеристик крови можно будет использовать как биомаркеры отдаленных последствий действия на человека низкоинтенсивной радиации в малых дозах. Предварительно показана возможность использования комплексного прогностического теста для оценки риска возникновения опухолей вследствие облучения низкоинтенсивной радиацией, включающего следующие биомаркеры: «маркер поражения» - количество двунитевых разрывов ДНК для оценки полученного вреда; «маркер чувствительности» - активность глутатионтрансферазы для оценки повышенной индивидуальной чувствительности к повреждающим факторам; «маркер окислительного стресса» - количество малонового диальдегида для оценки эффективной дозы облучения.

Закономерности изменения содержания эндогенных антиоксидантов, полученные в экспериментах на животных, позволили нам использовать некоторые незаменимые антиоксиданты крови (тиолы, в том числе, глутатион) как показатель низкодозовой лучевой нагрузки у детского контингента и участников ликвидации аварии в отдаленный период (через 4-7 лет) после аварии на Чернобыльской АЭС. (к.б.н. Е.Н. Нейфах, к.б.н. Г.Ф. Иваненко и др.).

Обнаруженный качественно разный ответ организма (анализ окислительно-восстановительной системы глутатиона и витамина Е в плазме крови у популяции людей, проживающих в районах радиоактивного загрязнения,) на действие низких и высоких доз ионизирующей радиации является объективным показателем радиационно-индуцированных биохимико-цитогенетических нарушений в организме человека и свидетельствует о том, что длительное хроническое воздействие малых доз радиации после Чернобыльской аварии оказывает отрицательное влияние на жизнь и состояние здоровья людей. Обнаруженные закономерности могут быть использованы как тест при разработке способов индивидуальной диагностики при развитии радиогенных лейкозов человека.

В последние годы группа сотрудников лаборатории активно работает над изучением биомаркеров окислительного стресса как индикаторов вреда табакокурения и вероятности возникновения онкологических процессов у курящих. Эти работы мы также рассматриваем с позиций свободно-радикальных процессов и законов действия ультранизких доз антиоксидантов (продуктов табакокурения). Получены клинические данные для разных групп испытуемых, свидетельствующие об интенсификации окислительного стресса у курильщиков, о возникновении повреждений в молекуле ДНК, о риске развития онкологических заболеваний. Показана перспективность измерения в периферической крови групп людей предложенных маркеров окислительного стресса: активация системы ПОЛ, изменение активности ключевых антиоксидантных ферментов, повреждение генома и мембраны клеток. Многофакторный статистический анализ измеренных показателей позволил создать статистическую модель оценки вероятности возникновения рака среди курящих и некурящих людей. Можно предположить, что дальнейшие исследования приведут к созданию диагностического теста для выявления групп риска онкологических заболеваний при курении.

Нанохимия, нанобиология и нанотехнология в настоящее время оказывают революционизирующее влияние на все области современной науки и технологии. В группе фотоники химических и биологических наноразмерных систем под руководством доктора химических наук П.П. Левина успешно используются современные кинетические (наносекундный лазерный фотолиз, метод остановленной струи и др.) и спектрально-флуоресцентные методы с использованием фотохимических зондов для исследования физико-химических свойств наноструктур.

Продемонстрирована возможность получения важной информации о нанохимии организованных систем и возможностях управления радикальными реакциями и процессами молекулярного транспорта в химических и биологических системах. Установлены закономерности имеют большое значение для понимания влияния различных факторов на фундаментальные фотопроцессы в различных системах. Одно из развиваемых в настоящее время научных направлений группы – разработка фотохимических наноразмерных зондов и хемосенсоров на основе органических красителей и фотосенсибилизаторов с целью их использования для клеточной диагностики и изучения внеклеточных биологических сред. В качестве спектральных и фотохимических зондов используется набор разнообразных систем на основе органических красителей, фотохромных бифункциональных соединений, природных фотосенсибилизаторов, хелатных комплексов редкоземельных элементов и квантовых точек. Эти зонды используются для исследования как сравнительно простых биомакромолекулярных систем (например, растворов белков, ДНК, гуминовых веществ), так и более сложных биологических объектов, таких как межклеточные ткани (например, жидкость передней камеры, стекловидное тело и хрусталик глаза, белок куриного яйца), а также модельных нанообъектов типа мицелл, везикул и наноструктурированных органических монослоев на неорганической поверхности. Получены сведения об особенностях структурирования и локализации зондов, а также о кинетике элементарных процессов с их участием в биомакромолекулярном окружении. Это, в свою очередь, позволяет создавать новые подходы и методики количественного и качественного анализа состава биосистемы, а также дает уникальные сведения о наноструктуре.

В лаборатории ежегодно публикуются за рубежом и в России большое число статей и монографий, проводятся ежегодно Конференции и Симпозиумы по проблемам антиоксидантов, радиобиологии и механизмам действия сверхмалых доз БАВ и облучения низкой интенсивности, радиационной геронтологии. Сотрудники лаборатории входят в Международные руководящие организации, в редакции российских и иностранных журналов, награждены орденами, медалями и Государственными премиями.

Лаборатория физико-химических основ регуляции биологических системЛаборатория физико-химических основ регуляции биологических систем
Яндекс.Метрика