Жизнь в ярком свете

Хотя у нас всего пять чувств, клетки, из которых состоит наше тело, могут обладать куда большими способностями. В частности, реагировать на электромагнитное излучение более широкого спектра частот. Возможно, самый популярный источник таких излучений для исследователей – разнообразные лазеры. И хотя первый такой прибор был собран уже полвека назад, область их применения всё ещё непрерывно расширяется.

В медицине и биологии тоже нашлось место для «концентрированной энергии». Хирурги давно оценили возможности, открываемые точно настраиваемым лучом: от тонкого разреза до «сварки» разных биологических тканей.

Николас Смит и его коллеги из Университета японской Осаки нашли способ использовать титан-сапфировый лазер для контроля поведения отдельных клеток. Им удалось подобрать излучение, которого достаточно, чтобы вызвать сокращение клеток сердечной мускулатуры, но при этом не сильно повлиять на другие внутриклеточные процессы.

В организме кардиомиоциты – мышечные клетки сердца так же, как и клетки сердечной мускулатуры, сокращаются под действием электрического импульса, приходящего либо от нервов, либо от электродов – кардиостимулятора или исследовательской аппаратуры.

Клеточная мембрана, выступающая в качестве конденсатора, накапливает заряд, после чего происходит масштабный выброс ионов кальция из многочисленных внутриклеточных депо, отличающих мышечные клетки от других «кирпичиков» нашего организма. В результате происходит сближение молекул внутриклеточного скелета, заканчивающееся уменьшением длины всего мышечного волокна, а если взглянуть еще более масштабно, то сокращением мышцы.

Смит и его коллеги сочли, что можно обойтись без электрического тока,

по иронии судьбы, открытого в современном понимании именно благодаря поперечно-полосатым мышцам. Правда, в конце XVIII века Алессандро Вольта не стал углубляться в биологические механизмы, вызывающие подергивание лягушачьих лапок.

Японские исследователи поступили наоборот – задействовали не основной стимул, а промежуточный этап – увеличение концентрации ионов кальция внутри клетки. Хотя этого можно добиться и с помощью фармацевтических препаратов, Смит предложил воспользоваться энергией лазера. Перепробовав не один вариант комбинаций, ученые еще 7 лет назад остановились на титан-сапфировом лазере и длине волны в 780 нанометров, лежащей на границе видимого и инфракрасного диапазонов.

Тогда учёные возбуждали раковые клетки. Взяв линию раковых клеток HeLa и точечно возбудив отдельную клетку лазерным импульсом продолжительностью всего 140 фемтосекунд (1 фемтосекунда – это миллионная доля миллиардной доли секунды, или 10^-15 с) , они наблюдали распространение «кальциевой волны» от пятна возбуждения, длившееся несколько секунд.

Механизм развития этого феномена оставался неясен до предыдущей публикации этого же авторского коллектива в Optic Express. Воспользовавшись отработанной моделью с теми же участниками (лазер, клеточная линия и флуоресценция для контроля распространения кальция), Смит и его коллеги широко варьировали как продолжительность импульсов, так и их повторяемость. Это позволило им доказать, что ключевую роль в этом процессе играют активные формы кислорода, образующиеся при возбуждении отдельных молекул фотонами лазерного импульса.

В своей последней работе, принятой к публикации в том же Optics Express, учёные повторили предыдущие достижения, но уже с другими клетками – мышечными клетками сердца, сокращение которых – это жизнь для всех достаточно высокоорганизованных живых существ. Кратковременного облучения оказалось достаточно, чтобы вызвать лавинообразный выход ионов кальция из внутриклеточных резервуаров кардиомиоцитов с последующим сокращением последних.

Эта интересная альтернатива электростимуляции уже нашла свое применение в лабораторных исследованиях.

Авторы предлагают использовать свой метод для изучения механизмов фибрилляции – состояния сердца, когда мышечные клетки возбуждаются, а следовательно, и сокращаются десинхронизированно. Синхронизации обычно добиваются с помощью дефибрилляции – сильного электрического импульса, перекрывающего по мощности все биологические и дающего новую «точку отсчета» для сердечного ритма.

Лазерный кардиостимулятор очень удобен для исследования сокращений кардиомицитов in vitro (в пробирке). Он позволяет прицельно активировать именно те клетки, которые нужно, и делать это ровно тогда, когда оно необходимо учёным. Возможно, в будущем так же можно будет стимулировать и клетки других типов.

Тем не менее, Смит и его коллеги пока не уверены в возможности такого практического применения для своей работы и сомневаются в том, что на основе их находки можно будет в ближайшее время сделать оптический кардиостимулятор. Во-первых, их метод слишком точен – воздействует на отдельные клетки и даже на отдельные внутриклеточные структуры, а в клинической работе требуется большая «масштабность». А во-вторых, побочные эффекты, в частности из-за избытка активных форм кислорода, могут оказаться слишком велики, особенно при увеличении площади пятна и мощности, необходимых для работы in vivo (в организме). Тем более что такой побочный эффект будет накапливаться в тканях вне зависимости от приема антиоксидантов.