Ольга Шестова
30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину
Кто разделил кровь на группы?
Карл Ландштейнер
Кровь, которая на первый взгляд у всех людей одинакова, в древности считалась мистической субстанцией и совершенно справедливо связывалась с жизненной силой. После того как в 1628 году английский врач Уильям Гарвей открыл циркуляцию крови, доктора стали делать попытки ее переливания. Через 30 лет появилась первая достоверная запись об успешном переливании крови от одной собаки другой. Недолгое время людям пытались переливать кровь животных. К счастью, эти эксперименты были запрещены. Только полтора века спустя, в 1818 году, соотечественник Гарвея, акушер Джеймс Бланделл, начал спасать жизни рожениц с послеродовым кровотечением. Выживала добрая половина женщин. Тогда это было огромным шагом вперед, но оставалось непонятным, почему погибает вторая половина его пациенток. В 1840 году прошло успешное переливание цельной крови для лечения гемофилии. Это генетическое заболевание связано с несвертываемостью крови: любая, даже маленькая ранка приводит к медленной, но неуклонной кровопотере вплоть до смерти больного.
В 1901 году в австрийском медицинском журнале Wiener klinische Wochenschrift (Венский клинический еженедельник) вышла статья ассистента кафедры патанатомии Венского университета Карла Ландштейнера «О явлениях агглютинации нормальной крови человека». В ней были ответы на вопрос о том, почему переливание крови, которое в одних случаях творит чудеса и спасает жизни, в других случаях убивает. Это знание превратило переливание крови из «русской рулетки» в рядовую медицинскую процедуру. Молодой ученый, обнаруживший, что человеческая кровь делится на четыре группы, был удостоен Нобелевской премии 1930 года по медицине с формулировкой «За открытие групп крови человека».
Карл Ландштейнер начал путь к своему открытию с изучения механизма работы иммунитета и природы антител. Очень быстро, всего за год, он описал процесс агглютинирования (склеивания) лабораторных культур бактерий, к которым добавили сыворотку крови. Зимой 1900 года Ландштейнер взял образцы крови у себя и пяти своих коллег, при помощи центрифуги отделил сыворотку от эритроцитов и принялся смешивать ее в различных сочетаниях. Выяснилось, что сыворотка крови доктора Плетчинга склеила эритроциты доктора Штурли. И наоборот. Это позволило экспериментатору предположить, что существует как минимум два вида антител. Ландштейнер дал им наименования А и В. В собственной крови ученый не обнаружил ни тех, ни других и предположил, что есть еще и третий вид антител. Исходя из этого, Ландштайнер сделал вывод, что кровь бывает трех групп, известных теперь как A, B и 0 (четвертая группа AB была обнаружена через пару лет его учеником). Более детальное исследование показало, что каждая группа отличается по наличию или отсутствию определенного набора молекул, или антигенов, на поверхности эритроцитов. Проанализировав полученные данные, молодой ученый сформулировал закон, известный как знаменитое «правило Ландштейнера», легшее в основу трансфузиологии: «В организме человека антиген группы крови (агглютиноген) и антитела к нему (агглютинины) никогда не сосуществуют».
Суть в том, что эритроциты группы А несли антиген А, эритроциты группы B – антиген B, а его собственные эритроциты не несли ни одного из этих антигенов. В крови большинства людей изначально содержатся готовые антитела к антигенам А и B чужих эритроцитов. Поэтому, если перелить человеку кровь группы, отличной от его собственной, то при встрече антител с соответствующими им антигенами произойдет реакция агглютинации (склеивания) между ними. В результате агглютинированные эритроциты закупорят капилляры, нарушат кровоток в жизненно важных органах, прежде всего в почках, что может привести к смерти.
Открытие Ландштейнера сначала не нашло в научном сообществе должного отклика – возможно, из-за скромного, «кабинетного» характера первооткрывателя. Это привело к тому, что группы крови еще несколько раз «переоткрыли». В 1907 году чех Ян Янский назвал группы крови I, II, III и IV по частоте, с которой они встречались. А американец Уильям Мосс из Балтимора в 1910 году описал четыре группы крови в обратном порядке – IV, III, II и I. Номенклатура Мосса широко использовалась, например, в Англии, и когда она встречалась с номенклатурой Янского, это приводило к серьезным проблемам.
Путаница прекратилась, когда в 1937 году на съезде Международного общества переливания крови в Париже была принята нынешняя терминология «АВ0», в которой группы крови именуются 0 (I), A (II), B (III), AB (IV). Собственно, это и есть терминология Ландштейнера, к которой добавилась четвертая группа.
Это открытие кардинально повлияло на многие сферы жизни. Во-первых, оно свело к минимуму риск при переливании крови и спасло множество жизней – особенно во время войны. Заблаговременное определение группы крови возможного донора и реципиента предупреждало трансфузии несовместимой крови и смерти солдата.
Во-вторых, криминалисты получили новый полезный инструмент для расследования. Оказалось, что определение группы возможно даже в незначительном количестве засохшей крови, оставленной на месте преступления. Это стало серьезным подспорьем для судебной медицины.
В-третьих, как только исследователи поняли, что группы крови наследуются из поколения в поколение, открытие Ландштейнера взяли на вооружение антропологи. Они стали выяснять, как распределение групп крови варьируется по географическим зонам, и делать выводы о происходивших в доисторические времена перемещениях народов. А эпидемиологи нашли прямую зависимость между группой крови, распространенной в той или иной зоне, и стойкостью иммунитета к инфекционным заболеваниям, таким как чума и оспа.
В-четвертых, стало возможным с определенной долей достоверности определение отцовства. Сравнивая группу крови ребенка (Х) и предполагаемого отца (Y), можно дать один из двух ответов: «Y может быть отцом Х» или «Y не может быть отцом Х». Более точный и развернутый ответ дают результаты сравнения ДНК ребенка и предполагаемого отца, но это стало возможным только в последние десятилетия, и метод из-за его дороговизны применяют редко.
Сегодня изучены и охарактеризованы десятки групповых антигенных систем крови, таких как системы Даффи, Келл, Кидд, Льюис, Лютеран и др. Их количество постоянно растет, однако основной по-прежнему остается классификация группы крови, предложенная Карлом Ландштейнером.
Сам Ландштейнер уже после своего открытия продолжал работать над совершенствованием классификации крови. В 1939 году, в возрасте 70 лет, он получил звание «Почетный профессор в отставке», продолжил исследовательскую деятельность и через год вместе с коллегами-учениками Александром Винером и Филиппом Левиным открыл резус-фактор крови человека. Параллельно исследователи выявили связь между ним и развитием гемолитической желтухи у новорожденных: резус-положительный плод может вызывать у матери выработку антител против резус-фактора, а это приводит к гемолизу эритроцитов, превращению гемоглобина в билирубин и развитию желтухи. Раньше такие дети чаще всего погибали. Чтобы спасти их, акушеры-гинекологи и неонатологи принимают превентивные меры, применяя полное заместительное переливание крови.
С чего начинается пищеварение
Кристиан де Дюв
Альбер Клод
Джордж Паладе
Некоторые книги могут повлиять на наш профессиональный или жизненный путь. Так, для одного из авторов этого издания стала решающей встреча с «Путешествием в мир живой клетки» известного бельгийского биолога, лауреата Нобелевской премии Кристиана де Дюва. Эту книгу Ольга Шестова прочитала еще в школе. Автор предлагал читателям вообразить, как они сжимаются до размера, меньшего самой мелкой органеллы клетки. Далее Кристиан де Дюв советовал мысленно надеть защитный костюм – нечто среднее между скафандром, формой пожарника и снаряжением водолаза, – протиснуться сквозь отверстия в мембране клетки и оказаться в ее цитоплазме, чтобы совершить путешествие, полное опасностей. Особенно Ольгу поразило приближение к лизосомам, грозящим растворить «чужаков» в своем содержимом – едком, наполненном ферментами, разлагающими белки на составные части. Связь клеточной биологии и медицины, описанная в книге де Дюва, так увлекла юную Ольгу, что она поступила на биологический факультет МГУ, а позже защитила диссертацию на медицинскую тему.
Книга Кристиана де Дюва была основана на его открытии. Вместе со своими коллегами Альбером Клодом и Джорджем Паладе он получил за него в 1974 году Нобелевскую премию: «За открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки».
Клетку начали пристально изучать с середины XIX века, но силы светового микроскопа, который имелся тогда в распоряжении биологов, было недостаточно, чтобы в подробностях познакомиться со структурой и функциями ее частей. Перелом наступил в середине 1940-х годов с появлением двух новых технологий. Во-первых, электронный микроскоп с высоким разрешением, изобретенный несколькими годами ранее, позволил изучить клеточные структуры. Во-вторых, была разработана методика химического анализа веществ, которые можно было увидеть под электронным микроскопом. Для этого гомогенизированные ткани или клетки с помощью центрифуги разделяли на компоненты, сходные по размеру и весу. Дифференциальное центрифугирование дополнило структурные исследования с помощью электронного микроскопа.
Альбер Клод, работавший в 1930–40-х годах в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке, был лидером в обеих прорывных технологиях: и в работе с электронным микроскопом для исследования клеток животных, и в совершенствовании дифференциального центрифугирования. Первые электронно-микроскопические снимки клеток и их компонентов, содержащие новую и актуальную биологическую информацию, были получены примерно в 1945 году. До сих пор этот метод с некоторыми усовершенствованиями остается одним из важнейших в клеточной биологии.
Молодые коллеги Клода продолжили его дело. Джордж Паладе начал с морфологического, описательного изучения области клетки, окружающей ядро, – цитоплазмы. Джордж изучал сеть мембран, которую первоначально обнаружил Клод. Такие мембраны еле заметны в световой микроскоп: это – эндоплазматический ретикулум. Исследователи показали, что ретикулум больше всего похож на пустой и многократно сложенный мешок, занимающий большую часть цитоплазмы. Палладе обнаружил и описал мелкие гранулированные компоненты (рибосомы) на наружной части складок этого мешка и открыл, что они производят (синтезируют) белок в клетке. В серии работ Паладе и его коллеги показали множество увлекательных деталей процесса производства белка. Например, то, каким образом белки, синтезируемые в клетках на рибосомах, находящихся снаружи ретикулума, попадают в пространство между его мембранами и мигрируют далее в специальную органеллу – аппарат Гольджи.
Исследования Кристиана де Дюва позволили взглянуть с другой стороны на морфологические работы Паладе, которого интересовал в первую очередь химический состав наблюдаемых клеточных структур. Начав использовать метод дифференциального центрифугирования, де Дюв стал искать распределение различных ферментов между четырьмя фракциями, полученными в результате разделения содержимого клеток в зависимости от его плотности. Это были ядра, митохондрии (источники энергии клетки), микросомы (фрагментированный эндоплазматический ретикулум) и клеточный сок. Де Дюв обнаружил, что определенные ферменты в осаждаемых фракциях не могли принадлежать ни одной из четырех известных морфологических структур: они осаждались в виде отдельного типа органелл, пятой фракции. Поскольку все ферменты этой фракции были лизирующими (то есть способными растворять, разрушать), де Дюв предположил, что они должны быть ограничены мембраной, чтобы не повредить клетку. Его догадка подтвердилась: вещества, растворявшие мембрану, высвобождали ферменты. Благодаря электронному микроскопу стало возможно рассмотреть и идентифицировать новые клеточные органеллы. Так были открыты лизосомы и началось их пристальное изучение.
Лизосомы выполняют в клетке несколько функций. Прежде всего, они участвуют в процессах, где требуется утилизировать биологический материал. Они задействованы в защитных механизмах против бактерий, при резорбции и секреции. Обычно клетка защищена от агрессивных ферментов, ведь они надежно заключены в мембрану лизосомы. Однако иногда лизосомальные мембраны повреждаются, и тогда лизосомы становятся убийцами: происходит апоптоз, то есть самоуничтожение клетки изнутри. В медицине лизосомы хорошо изучены во многих областях. Например, существует несколько наследственных заболеваний, причина которых – дефицит лизосомальных ферментов: он приводит к накоплению трудно перевариваемых остатков в органеллах. В результате они набухают и не дают клетке нормально функционировать.
Таким образом, лауреаты 1974 года в области физиологии и медицины своими открытиями в значительной степени создали основу современной клеточной биологии. Схема строения клетки, которая встречается в школьных учебниках биологии, – их заслуга. До этого открытия клетку считали ячейкой с некими компонентами. Теперь мы знаем, что клетка – это сложно организованная система со всеми необходимыми для жизни функциями: воспроизводством необходимых частей и энергии, транспортом, деструкцией изношенных или поврежденных частей и защитой от чужеродных организмов и веществ.
