Ольга Шестова
30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину
ГЛАВА 1. Столетний путь физиологии: от фагоцитоза до аутофагии
Условно и безусловно: это рефлексы
Иван Петрович Павлов
Первым российским ученым, который получил Нобелевскую премию за открытие в области физиологии и медицины, был Иван Петрович Павлов. Надо сказать, что таких людей, как он, рождается очень мало. Павлов был настоящим ученым и гуманистом – активным, ищущим, честным. Что мы знаем о нем? По открытому самим Павловым принципу условного рефлекса наш мозг рефлекторно реагирует на это имя подсказкой: собака Павлова.
Уже во время проведения самых ранних физиологических исследований Ивана Петровича волновали две принципиальные вещи: чистота эксперимента (что позволяло ему получать обоснованные и воспроизводимые данные) и гуманное отношение к животным. В своей нобелевской лекции на получении премии в 1904 году, он так описывал свою работу с собаками: «…мы должны были точно придерживаться всех предписаний, которые хирурги устанавливают в отношении своих пациентов. Здесь также должны были применяться подходящий наркоз, тщательная чистота при операции, чистые помещения после операции и заботливый уход за раной… Только при этих условиях наши результаты могли считаться абсолютно доказательными и могли разъяснить нормальный ход явлений. Это нам удалось благодаря правильной оценке вызванных в организме изменений и целесообразно принятым мерам; наши здоровые и весело выглядевшие животные выполняли свою лабораторную службу с истинной радостью, постоянно стремились из своих клеток в лабораторию, вскакивали сами на стол, на котором ставились все опыты и наблюдения над ними. Прошу мне поверить, что я ничуть не преувеличиваю. Благодаря нашей хирургической методике в физиологии мы сейчас можем в любое время продемонстрировать относящиеся к пищеварению методики без пролития хотя бы единой капли крови и без единого крика подопытного животного».
Несмотря на то что имя Ивана Петровича Павлова широко известно, а собаке Павлова поставлен памятник и даже есть одноименное сообщество в фейсбуке, в школе изучают только небольшую часть работ этого ученого – и, собственно, не совсем ту, за которую ему была вручена Нобелевская премия. Мы не зря начали эту главу с большой цитаты академика Павлова. Человеку, далекому от науки, эксперименты над животными могут показаться жестокими. Поэтому о них не напишут ничего хорошего журналисты и умолчат школьные учебники. Один из авторов этой книги несколько лет работал с экспериментальными моделями – мышами и крысами, помогая врачам найти способ оптимального лечения лимфобластных лейкозов у детей и взрослых. Эксперименты не обходились без забоя животных и последующего изучения их внутренних органов. Только осознание того, что все это делается ради продления жизни больных с тяжелыми заболеваниями крови, позволяло работать без постоянного тяжелого раскаяния. Возможно, академик Павлов испытывал похожие чувства, естественные для любого нормального человека, поэтому он уделял особое внимание гуманному обращению с животными.
В ходе экспериментов по изучению пищеварения он открыл особенности высшей нервной деятельности, известные как условные рефлексы. В 20–30-х годах прошлого века он был неоднократно повторно номинирован на Нобелевскую премию, но вручена она была только один раз «за исследование функций главных пищеварительных желез». Экспериментальной моделью для ученого служили собаки с разобщенными отделами пищеварительной системы. Их Павлов оперировал сам и в процессе виртуозно овладел оперативной техникой.
Классический павловский эксперимент был проведен на собаке, пищевод которой был разобщен, а оба его конца вшиты в кожу шеи. Пища не могла естественным путем продвигаться по пищеварительному тракту и выпадала наружу. Одновременно из желудка через металлическую трубку вытекал выделявшийся желудочный сок. То есть при кормлении пища не попадала в желудок собаки, но тем не менее желудочный сок вырабатывался. Эксперимент ясно доказал, что процесс пищеварения регулируется центральной нервной системой.
Позже Иван Петрович усовершенствовал этот эксперимент: сформировал в желудке собаки особый карман, названный позднее «павловским желудочком», чтобы изучать состав выделяющегося секрета при кормлении разной пищей. Выведя наружу слюнные железы, он изучал состав и консистенцию слюны при попадании в пищеварительный канал различных веществ: съедобных и несъедобных, сухих и жидких. Он заметил, что слюнные железы при этом работали по-разному. Они производили больше или меньше слюны, вязкой или жидкой, и ее состав также был каждый раз особым. Так же ведут себя и железы, вырабатывающие желудочный сок. Например, когда мы едим хлеб, наш желудочный сок богат ферментами и наименее кислый. В ответ на молоко вырабатывается сок с наименьшей концентрацией ферментов, а на мясо – наиболее кислый желудочный сок. Причем в первом случае концентрация ферментов будет в два-четыре раза больше, чем во втором и третьем. Фистула, вживленная в желудок собаки и в просвет слюнной железы, позволяла измерить количество и состав желудочного сока и слюны, выделяемых в ответ на разные виды пищи. Прооперированная собака, чучело которой хранится в музее-усадьбе ученого, прожила несколько лет и умерла от старости.
Основываясь на наблюдениях за экспериментальными моделями с выведенными наружу слюнными железами, Иван Петрович Павлов продолжил исследования, которые в результате привели его к открытию условных рефлексов. Оказалось, что условный рефлекс с выделением слюны можно сформировать на многие раздражители: не только на загорающуюся лампочку или определенный звук, но и на любой запах и даже на появление служителя, который приносит еду. Все это возбуждает слюнную железу, как и вид и запах пищи. Основное условие – совпадение по времени. Один рефлекс – прирожденный, видовой, постоянный, стереотипный – Павлов назвал безусловным, а рефлекс, формируемый на его основе, – условным, так как он зависит от многих условий. С введением понятий о безусловном и условном рефлексах физиология приобрела новую огромную область исследований, а Павлов стал лауреатом Нобелевской премии «за работу по физиологии пищеварения».
«Собака Павлова» стала экспериментальной моделью, работа с ней продолжилась и после присуждения Нобелевской премии. Если раньше Павлов ставил задачу сформировать условный рефлекс на нейтральный раздражитель и дать его точное описание, то теперь он исследовал процессы торможения и возбуждения нервной системы. Изучил он и роль этих процессов в анализе окружающей среды, и значение сигналов, поступающих от внутренних органов. Павлов описал возможности центральной нервной системы находить баланс между внешними сигналами и потребностями организма, а также доказал, что нарушение этого равновесия приводит к психическим заболеваниям. Для этого он экспериментально формировал неврозы у подопытных животных и находил способы их терапии. Благодаря этим исследованиям Иван Петрович Павлов объяснил механизм ряда психических заболеваний и их лечения.
Эксперименты Павлова привели к множеству важных открытий, имевших клиническое значение. Среди них были и те, что получили впоследствии Нобелевскую премию. Об одном из таких открытий вы можете прочитать в главе «Диета против анемии». На стыке XIX и XX веков ученые считали, что желчные пигменты образуются исключительно из гемоглобина эритроцитов и что этот процесс происходит только в печени. Будущий нобелевский лауреат Джордж Уиппл усомнился в том, что печень – единственный орган, синтезирующий желчь. В 1911 году в лаборатории профессора фармакологии Ганса Мейера в Вене он овладел техникой наложения фистулы Экка. Этот позволяло направлять кровь от кишечника в обход печени. Сочетая метод Экка с лигированием (перевязкой) печеночных артерий, Уиппл вместе со своими талантливыми помощниками-медиками смог выключить печень из системы кровообращения. А затем они наблюдали, как введенный в кровеносное русло гемоглобин в течение одного-двух часов превращался в желчные пигменты. Это превращение происходило даже при прекращении кровотока в селезенке и кишечнике – за счет распада гемоглобина в кровеносном русле. Таким образом было доказано, что в экспериментальных условиях возможно образование желчных пигментов без участия печени. Однако в жизни печень играет главную роль в их выработке.
В конце 2017 года в Рунете широко обсуждался ролик, в котором вице-премьер Рогозин «топил» таксу, чтобы продемонстрировать президенту Сербии новое открытие Роскосмоса – насыщенную кислородом жидкость, в которой можно дышать. На самом деле с животным обошлись достаточно гуманно, но и последователем Павлова по отношению к подопытным собакам вице-премьера назвать нельзя. Ведь одно дело – манипуляции с живым (и страшно напуганным) существом «на камеру», а другое – научные эксперименты, которые приносят огромную пользу в деле лечения людей. И в конце концов, стоило бы пощадить чувства граждан, далеких от лабораторных реалий и физиологических экспериментов.
Прошло больше ста лет с момента присуждения Нобелевской премии нашему соотечественнику Ивану Петровичу Павлову, но открытие его оказалось настолько фундаментальным, что и в XXI веке продолжают ставить эксперименты, похожие на павловские, и получают результаты, актуальные для многих из нас. Например, одно из исследований показало, как наш мозг мешает нам похудеть и почему некоторым счастливчикам это удается без труда. Все дело – в тех самых условных рефлексах на пищу, сходных у собаки, человека и крысы.
В 2006 году в Институте молекулярной и поведенческой неврологии Университета штата Мичиган физиолог Шелли Флагел представила красноречивые результаты эксперимента на крысах. Животных посадили в ящики. Внутри стояла кормушка, а в отверстие в стенке был вставлен стержень.
Время от времени стержень резко входил внутрь ящика, оставался в таком положении восемь секунд, а затем выдвигался обратно. Сразу после этого в миску насыпался корм. У крыс быстро сформировался условный рефлекс, связавший движение стержня и кормежку. Когда стержень появлялся в ящике, одни крысы немедленно бежали к миске в ожидании еды, и это было ожидаемо. А вот другие животные вели себя непредсказуемо: они бежали не к кормушке, а к стержню, терлись об него, нюхали и всячески выражали ему свое расположение. Мозг крыс выбрасывал в кровь дофамин в ответ на появление стержня, в результате их жизнь концентрировалась вокруг холодного бездушного предмета, который не мог ни напоить, ни накормить их. Они стали зависимы от определенного сигнала, который ассоциировался с едой.
Для нас, людей, это означает, что еда часто перестает для нас быть средством получения энергии, потому что мозг больше реагирует не на саму еду, а на знаки, связанные с ней: желтую эмблему «М», логотип Baskin-Robbins или вывеску Starbucks. Рекламщики используют физиологические особенности нашего мозга, чтобы продать нам больше, заставить заглянуть в кафешку быстрого обслуживания, когда мы не голодны. Но даже когда мы дома бредем на кухню и открываем холодильник, то часто делаем это не потому, что хотим есть, а потому, что нам скучно, одиноко, страшно, грустно. Мы делаем это, когда злимся, чувствуем неуверенность или отчаяние или, наоборот, полны радости и счастья. «Заедание эмоций» сегодня настолько распространено, что в мире зафиксирована эпидемия ожирения. Чтобы ослабить давление на наши дофаминовые рецепторы, заново формируя условные рефлексы, приходится опять учиться распознавать сигналы голода и, таким образом, не набирать лишний вес.
Открытие иммунитета
Илья Ильич Мечников
Пауль Эрлих
Cвой путь в науке Илья Ильич Мечников – один из двух русских ученых, получивших Нобелевскую премию по физиологии и медицине, – начинал с изучения низших животных, которые представляли интерес лишь для зоологов. Однако, наблюдая за червями и моллюсками, Мечников подметил, что вне зависимости от того, обладают ли эти животные сформировавшейся пищеварительной полостью или нет, их клетки способны поглощать и переваривать пищевые частицы. Уже начиная с середины 60-х годов ХIХ века в его публикациях прослеживается главная тема: внутриклеточное пищеварение. Так кем был Илья Мечников – зоологом, микробиологом, патологом, демографом, геронтологом, философом, врачом, эпидемиологом или психоаналитиком? Спойлер: все ответы верны.
А начиналось все с простого эксперимента. Изучая прозрачное тело личинки морской звезды, молодой Илья Ильич погрузил в нее шипы розы. На следующий день он увидел, что блуждающие клетки личинки окружили эти «занозы» и пытаются поглотить их. Увиденное захватило Мечникова. Проанализировав результаты эксперимента, он сделал общебиологический вывод, легший в основу клеточной теории иммунитета. Последующее 25 лет своей научной работы Илья Ильич посвятил разработке проблемы фагоцитоза и его роли в борьбе с инфекцией. Не исключено, что толчком к поиску механизмов защиты от инфекционных заболеваний для Ильи Мечникова стало трагическое событие. Его горячо любимая жена умерла от чахотки – так раньше называли туберкулез. Илья Ильич тяжело переносил утрату, но его научное вдохновение не дало ему окончательно впасть в депрессию. Он задался вопросом: почему бы клеткам, «умеющим» переваривать питательные вещества, не использовать эту способность в борьбе с чужеродными для организма агентами, в первую очередь – с микробами?
Впервые применив сравнительно-эволюционный подход сначала в биологии, а затем в патологии, Мечников сделал шаг к открытию и оценке фагоцитоза. Фагоцитарная теория была изложена им в статье «Untersuchungen über die intrazelluläre Verdauung bei wirbellosen Tieren» (Исследования внутриклеточного пищеварения у беспозвоночных // Труды зоологического института в Вене, 1883 год). Собственно, слово «фагоцитоз» Илья Ильич стал употреблять в более поздних публикациях. Однако тщательные исследования показали, что впервые оно прозвучало все-таки по-русски – в докладе, сделанном им в Одессе на съезде русских естествоиспытателей и врачей еще в 1882 году.
Как инфекционный агент попадает в организм? Это нелегко: он должен пройти несколько линий защиты.
Сначала – кожу и слизистые, обладающие бактерицидным действием: если они не повреждены, большинство микробов не способно проникнуть внутрь. Если это все же случилось, то уже за пределами кожи и слизистой микроб может стать добычей фагоцита. Эта клетка окружает чужеродный агент, захватывает его и тянет в свою цитоплазму. Доставив агент к своей пищеварительной станции, клетка обезвреживает и переваривает жертву.
До этого в ученых кругах была популярна гуморальная теория: считалось, что обеззараживающими свойствами обладают только некоторые особые вещества, циркулирующие во внутренней среде организма. Илья Ильич не противопоставлял гуморальный иммунитет и способность клеток к фагоцитозу. Современные научные открытия подтвердили, что клетки, способные к фагоцитозу, обладают иммунологической памятью: при повторном попадании в организм того же самого возбудителя они узнают его и быстрее вступают в борьбу с ним. Затем организм вырабатывает антитела – своего рода противоядие к микробам и их токсинам, – это следующая линия защиты. Одновременно некоторые виды антител воздействуют на инфекционный агент, делая его более «доступным» для фагоцитов.
Пауль Эрлих, второй нобелевский лауреат, получивший премию одновременно с Ильей Ильичом Мечниковым, искал оружие иммунной системы в крови. Он сформулировал теорию, объяснявшую, как антитела ищут бактерии и нейтрализуют их токсичное действие. Вдохновение Эрлих черпал из популярной химической гипотезы о том, что фермент и вещество, на которое он действует, подходят друг другу, как замок и ключ. Эрлих представлял себе клетку, окруженную выступающими боковыми цепями, через которые она получает питательные вещества и другие нужные ей материалы. Суть теории Пауля Эрлиха заключается в том, что благодаря дополнительным боковым цепям, клетки могут противостоять любой бактериальной атаке. Отрываясь от исходной клетки и циркулируя в кровяном русле, боковые цепи антител специфическим образом связываются с ядами, которые выделяют бактерии, и деактивируют их. Таким образом организм защищается от болезнетворного действия бактерий.
Пути, которыми два лауреата Нобелевской премии 1908 года по физиологии или медицине шли к ответу на вопрос о природе иммунитета, были разными. Однако вместе Илья Мечников и Пауль Эрлих показали, что «система обороны» нашего организма обладает более чем одним инструментом защиты. Таким образом, клеточный и гуморальный механизмы иммунитета дополнили друг друга. Именно это открытие и было отмечено Нобелевской премией в качестве «признания работ по иммунитету»[1].
Имя Мечникова часто связывают с другой темой, которая его увлекала, а именно с влиянием обитателей кишечника на здоровье, мышление и старение человека. С подачи Мечникова их стали называть микрофлорой кишечника. После более пристального изучения микрофлоры оказалось, что растений (флоры) там нет, а есть бактерии, вирусы и грибки, поэтому их в совокупности стали называть микробиомом, или микробиотой. Илья Ильич считал, что старение организма связано с деятельностью микрофлоры: самоотравлением микробными и другими ядами, образующимися в пищеварительном тракте. Для борьбы с ними Мечников исследовал так называемую болгарскую молочнокислую палочку (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus). Полученный под ее действием кисломолочный продукт широко известен под названием «мечниковская простокваша» и применяется до сих пор. Удивительно, что через 110 лет после опубликования программной статьи Мечникова на эту тему его предположения обрели широкую популярность. Не исключено, что скоро микробиоту будут считать нашим вторым мозгом, определяющим, например, поведение и мотивацию человека – то, что раньше относилось исключительно к высшей нервной деятельности.
Нобелевская премия 1908 года застала Илью Ильича Мечникова в Париже. В этом городе он провел несколько плодотворнейших десятилетий, возглавляя Институт Пастера. Мечников умер во Франции, завещав свое тело науке. Согласно воле покойного, после исследований оно было кремировано. Сегодня прах Мечникова покоится в помещении cтарой библиотеки Института Пастера.
