Trpv1 рецептор что это
Премия за самочувствие
Нобелевскую премию по физиологии в 2021 году дали за боль, жар и проприорецепцию
Дэвид Джулиус искал таблетку от боли. Ардему Патапутяну просто было интересно разобраться в том, что происходит в нейронах. Нашли же они рецепторы, которые реагируют на температуру и прикосновения. Теперь им присудили Нобелевскую премию, хотя эффективной таблетки ни одному из них придумать не удалось. Зато они разобрались, как работает gut feeling — то, как организм человека чувствует себя.
В 1739 году Дэвид Юм, «оставив в стороне метафизиков», заверил своих читателей, что все они суть не что иное, как пучок восприятий (a bundle of perceptions). Оставив в стороне цели, которые ставил перед собой британский философ, и приобщив к его метафоре достижения нейробиологии, можно сказать, что все мы не что иное, как потоки ионов натрия, калия и хлора, которые втекают и вытекают сквозь ионные каналы в обонятельных нейронах в носу, колбочках в глазу и волосковых клетках в глубине уха — эти каналы и служат для нас дверями восприятия. Тот, кто научится ими управлять, научится управлять и людьми, в той мере, в которой они представляют собой «пучок восприятий».
Нейрофизиологи знают, что для этого достаточно найти подходящий рецептор — чувствительный белок, который переводит стимулы внешнего мира в ионный поток. Дальше его можно искусственно активировать — чтобы подстегнуть угасшую чувствительность, или наоборот, заблокировать — если чувства человеку неприятны.
Со зрением, слухом, а также обонянием и вкусом (которые есть не что иное как химические сигналы) к концу ХХ века ученые уже разобрались. По крайней мере, было точно понятно, где искать восприимчивые к соответствующим стимулам нейроны — они собраны в органах чувств. А вот про чувство боли долгое время было ничего не понятно. Глушить боль медикам приходилось окольными путями — тормозя воспаление напрямую (например, с помощью аспирина) или через гормоны (так работают стероиды) или перебивая ее удовольствием (через опиоиды). Но почему температура и воспаление вызывают боль и как об этом узнают нейроны, никто не знал.
Где здесь кнопка
В 1970-х старшекурсник Дэвид Джулиус отправился на лето во Францию — поработать в лаборатории чилийских биологов Литваков — и походя, «наслаждаясь видами Бордо и его окрестностей», выделил фермент, который «обрабатывает» транспортную РНК в ростках пшеницы. Уже тогда Джулиус был настоящим молекулярным сыщиком и строил карьеру на поиске ключевых белков, недостающих звеньев в сложных каскадах. Через несколько лет, уже в аспирантуре Калифорнийского университета Беркли он закрыл задачу, которая лежала нерешенной несколько десятков лет: нашел ключевой фермент в цепочке реакций, ответственной за синтез феромонов у дрожжей.
Дэвид Джулиус (второй слева) с дипломом MIT в руках и в окружении однокурсников
Через несколько лет погони за ключами к дверям восприятия в крысином мозге (в работе которого генетику, не знавшему физиологии, пришлось разбираться с нуля), Джулиус разделался и с этой проблемой — выделил первый серотониновый рецептор. Потом еще один, и еще. А по пути ученый наткнулся на новую задачу, которая захватила его воображение: где-то в глубине человеческого тела, на нейронах болевой чувствительности, прятался рецептор, который реагировал на острый перец и вызывал жжение. В народной медицине перец использовали еще ацтеки — говорят, он помогал от зубной боли — но самого рецептора никто так и не видел
Погоня за нужным белком в стоге клеточных молекул — дело муторное и небыстрое. Для этого Джулиусу и его коллегам пришлось капать на нервные клетки крысы капсаицином (действующим веществом из острого перца) и после разбирать их на отдельные молекулы РНК, чтобы зафиксировать гены, которые заработали в ответ на острый стимул. После этого на основе этих РНК исследователи строили нити ДНК — и вводили в другие нервные клетки, изначально нечувствительные к остроте.
Оказалось, что достаточно одного-единственного белка, чтобы заставить клетки реагировать на капсаицин. Причем науке он был уже известен, тогда его называли ваниллоидным рецептором — потому что с ним связывался ванилин и родственные ему молекулы. Джулиус обнаружил, что тот же самый рецептор не только связывается с капсаицином (что как раз неудивительно, поскольку часть молекулы капсаицина похожа на ванилин), но при этом открывает в себе канал — и ионы начинают течь сквозь мембрану нейрона.
Горячий старт
Но на этом секреты ваниллоидного рецептора не закончились. Рассматривая открывшуюся ему «дверь», Джулиус обнаружил, что она относится к семейству ионных каналов TRP и переименовал ее в TRPV1. А затем заметил, что ионный канал в центре молекулы можно открыть и без капсаицина — достаточно ее просто нагреть.
Рецептор TRPV1 с закрытым (слева) и открытым (справа) каналом
Lejla Zubcevic et al. / Nature Structural & Molecular Biology, 2016
Молекулярная биология боли
Они знают, что такое боль.
Автор
Редакторы
Конкурс «био/мол/текст»-2019
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.
Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
Какая бывает боль?
Ни для кого не секрет, что за ощущение боли отвечает нервная система. В общем виде работу этой системы можно представить так: рецепторы улавливают внешний сигнал и преобразуют его в нервный импульс (трансдукция), передают информацию по нерву (кондукция), а далее она обрабатывается в спинном мозге и «отсылается» в головной мозг (проекция) для генерации болезненных ощущений (восприятие) (рис. 1). Почти все помнят, что боль — это реакция на внешний раздражитель, но на самом деле это не всегда так: она может возникать и при поломке самой нервной системы.
Рисунок 1. Схема работы болевого импульса. В простейшем пути передачи сигнала участвуют три группы нейронов, чьи волокна обозначены на схеме разными цветами. За трансдукцию боли отвечает ноцицептор (обозначен на схеме фиолетовым), трансдукция происходит по нервным волокнам, обозначенным красным цветом, в спинном мозге происходит проекция боли на «зеленый» участок схемы, восприятие же боли начинается тогда, когда нейроны третьего порядка передадут нервный импульс от таламуса к коре больших полушарий.
Стоит отметить, что эволюционно боль появилась в качестве полезной адаптации, и на самом деле, до сих пор продолжает играть важную роль в нашей жизни. Задумайтесь, какой бы была жизнь без боли — мы не могли бы отдергивать руку, касаясь горячей поверхности, не замечали бы наносимых ран, а уж как осложнилась бы жизнь врачей, ставящих диагноз — сложно представить. Однако это не вся польза, которую приносит нам наша система восприятия боли. Рука об руку с ощущением боли идут ощущения давления, холода и тепла (то есть осязание) — и возможность организма в ответ на стимул из внешней среды изменить свои параметры. Существует ряд болезней (в основном генетически обусловленных), при которых восприятие боли нарушается. Их тяжесть варьирует в зависимости от того, какой именно рецептор или канал «поломан». Самые тяжелые формы (например, наследственная сенсорно-вегетативная невропатия IV типа) характеризуются полной потерей болевой чувствительности в конечностях и нарушением способности организма регулировать температуру тела. Но обо всем по порядку.
Классификация боли, предложенная Клиффордом Вульфом [1], включает в себя четыре типа: ноцицептивная, воспалительная, невропатическая и функциональная. Кроме того, стоит отметить и психогенную боль.
Поскольку мы решили остановиться на «нормальной» ноцицептивной боли, давайте разберемся поподробнее с каждым из этапов ее появления.
Эпизод I: Пойманная угроза
Чтобы определить любой сигнал, наш организм использует внушительный арсенал белков-рецепторов. Их задача заключается в том, что они реагируют на строго определенный внешний фактор и передают сигнал об этом связывании при помощи конформационных изменений [2], влекущих за собой и изменение биохимических свойств этого рецептора. Переданные от рецептора сигналы усиливаются каскадом белковых взаимодействий в клетке, могут передаваться с помощью нервной или эндокринной систем и, в конечном итоге, приводят к физиологическому ответу.
Нейроны, работающие в ноцицептивной системе, различаются по набору рецепторов. Среди этих нейронов выделяются четыре группы: несущие рецепторы температуры, химического воздействия, механического воздействия и полимодальные (с рецепторами всех раздражителей).
Одни из важнейших рецепторов, реагирующих на тепло, — белки группы TRP. Это ионные каналы, неспецифичные к катиону, — при открытии они пропускают в клетку натрий, магний и кальций, в результате чего в клетке возникает потенциал действия, необходимый для передачи нервного импульса. Этих доблестных воинов термочувствительности несколько: TRPV1–TRPV4 и TRPM8. Первые активируются при повышенной температуре, второй же реагирует на холод. Эти каналы обладают интересной особенностью — помимо температуры, они могут активироваться химическими стимулами.
Биохимические механизмы этой активации отличаются от температурной, но в мозге возникают в ответ на эти химические стимулы практически те же ощущения, что и на изменение температуры. А теперь вспомните, какие продукты питания вызывают ощущение обжигания, а какие — холода? Думаю, почти каждый читатель сталкивался с этими продуктами. Острота перца чили обусловлена тем, что содержащийся в нем капсаицин активирует рецептор TRPV1 (такие вещества называются агонистами) [3]. А ментол, содержащийся в мяте, — агонист TRPM8, и вызывает чувство прохлады (рис. 2) [4].
Рисунок 2. Связывание рецепторами TRP капсаицина и ментола приводит к активации «температурной» ноцицепции. Интересно, что при определенных условиях капсаицин может не только вызывать боль, но и ослаблять ее — он десенсибилизирует (то есть делает менее чувствительными к стимулам) другие каналы семейства TRP, кроме того, провоцирует выброс эндорфинов, а вкупе с другими лекарственными средствами может оказаться. перспективным обезболивающим.
Но если можно с помощью небольших молекул заставить нас чувствовать эффект ноцицепции, то, может, с помощью других молекул можно этот рецептор заблокировать? Да! Разработка антагонистов TRPV1 [3], которые, блокируя рецептор, могут снижать болевые ощущения, например, от капсаицина, ведется с 1990-х годов, однако большинство препаратов пока не достигли рынка (рис. 3). Интересно, что эти препараты предлагается применять для лечения невропатической боли, то есть той, когда рецепторы активируются без внешней причины. Достигнут ли фармкомпании успеха — покажет время.
Рисунок 3. Один из первых разработанных антагонистов TPRV1 — капсазепин. Этот препарат находится сейчас на стадии клинических испытаний. Вообще, успех подобного рода лекарств может стать новой вехой в истории фармакологии анальгетиков — блокирование ноцицепторов вместо ослабления болевого импульса на более поздних стадиях.
Механоноцицепторы — куда более разнородная и многообразная группа рецепторов, чем терморецепторы. Среди них стоит отдельно выделить рецепторы, активируемые, помимо давления, сигнальным олигопептидом брадикинином. Его рецептор В-1 синтезируется в поврежденных клетках — например, при получении травмы. Связывая брадикинин, он активирует сигнальный каскад, приводящий к возникновению боли. Интересно, что в число прямых эффектов от связывания рецептора входит усиление воспаления — то есть поддержание стимула для дальнейшей активации болевых рецепторов: чем больше боли, тем больше боли. Поэтому частая активация В-1 (например, постоянным воспалением при аутоиммунных заболеваниях) может стать причиной развития хронической боли [5].
Рецепторы, воспринимающие различные химические раздражители (ирританты), тоже разнообразная, а местами малоизученная группа. Среди них особо примечателен член уже знакомого нам семейства TRP — TRPA1. Этот рецептор активируется совершенно разными молекулами, зачастую, вступая с ними в реакцию, что приводит к необратимости эффекта. В числе широко известных ирринантов, активирующих TRPA1, — аллилизоцианат, содержащийся в знаменитой японской приправе васаби, и аллицин, содержащийся в чесноке (рис. 4).
Рисунок 4. Вкус васаби сильно отличается от чесночного, однако за восприятие остроты этих приправ отвечает один рецептор — TRPA1. Серосодержащие летучие вещества этих растений способны активировать рецептор и дальнейшую ноцицептивную передачу. Эти агенты пригождаются ученым при изучении химических основ работы рецепторов.
Отдельно стоит упомянуть боль, возникающую при воспалении. Ключевое вещество, на которое реагируют ноцицепторы, — гистамин, который некоторые клетки нашей иммунной системы (например тучные) выбрасывают в кровь в ответ на стимулы к воспалению. Гистамин связывается со своими рецепторами (из семейства GPCR). Активация гистаминового рецептора 1 типа (H1) приводит к активации фосфолипазы С (PLC) и гидролизу фосфатидилинозитолбисфосфата (PIP2) с образованием инозитолтрифосфата (IP3), который затем запускает высвобождение Ca 2+ из эндоплазматической сети. Кальций, связавшись с кальмодулином, активирует протеинкиназу С, которая, при помощи дальнейшего фосфорилирования регуляторных киназ, подавляет экспрессию потенциал-зависимых калиевых каналов 7 типа (Kv1.7), что приводит к деполяризации мембраны и проведению болевого импульса [7]. Интересно, что гистаминовые рецепторы 3 типа, которые локализованы в ЦНС, могут ингибировать проведение определенных ноцицептивных импульсов [8].
Стоит отметить, что другие активные игроки воспалительного процесса — простагландины — действуют похоже: в результате связывания простагландина Е2 с рецептором PTGER2 активируется протеинкиназа А, которая, в свою очередь, увеличивает экспрессию уже знакомого нам TRPV1 [9].
Эпизод II: Атака нервных волокон | Кондукция
На примерах мы разобрались, как работают ноцицептивные рецепторы, но ведь они расположены «на переднем крае», близко к раздражителю, а приказ о болевых ощущениях отдается из мозга. Значит, необходимо донести сигнал до верховных инстанций. Для этого только что полученный потенциал действия рецептора активирует множество потенциал-управляемых ионных каналов. Натриевые и калиевые каналы необходимы для генерации потенциалов действия, которые передают ноцицепторные сигналы синапсам в дорсальном роге спинного мозга. Они — еще одна потенциальная терапевтическая мишень для новых групп анальгетиков. Кальциевые же каналы играют ключевую роль в высвобождении нейромедиаторов из центральных или периферических ноцицепторных синапсов, вызывая боль или воспаление соответственно.
В этом месте важно отметить, что нервные волокна, по которым ноцицепторный сигнал идет до спинного мозга, бывают трех типов — Aδ (а-дельта), Aβ (а-бета) и C. Эти волокна отличаются друг от друга по толщине, наличию или отсутствию «изолирующей» миелиновой оболочки и, как следствие, по скорости проведения нервного импульса и типу импульса, который по ним проводится.
Аδ-волокна проводят импульс быстро (10–30 м/с) и «специализируются» на сигналах о сильной механической боли и изменении температуры.
Aβ-волокна работают еще быстрее (30–100 м/с) и сильно миелинизированы. Механорецепторы, расположенные в этих волокнах, крайне чувствительны, поэтому функция этих волокон — проведение сигналов о слабых раздражителях. Избыточная активация волокон Aβ вызывает аллодинию — боль, возникающую от причин, обычно ее не вызывающих, — например, от сидения на стуле.
Волокна типа C проводят нервный импульс медленно (0,5–2 м/с); в основном это сигналы от высокочувствительных механорецепторов и хеморецепторов.
Волокна C и Aδ работают синергично, обеспечивая основную массу болевых ощущений.
Эпизод III: Месть эндорфинов
Сигнал о боли достиг нейронов задних рогов спинного мозга, и уже очень скоро будет жарко. Хотя постойте, может, можно что-нибудь сделать? Может, сигнал несет организму чрезмерные страдания, превышающие пользу? А может, наоборот, сигнал недостаточен для осознания всей беды? В спинном мозге происходит модуляция ноцицептивного сигнала. Это поле для нейрохимической битвы двух сил — тормозящей и усиливающей.
По своей природе опиоидные рецепторы тоже являются GPCR, однако — ингибиторными. Будучи активированными, они подавляют работу аденилатциклазы, снижают уровень внутриклеточного цАМФ и, через киназных посредников активируют работу калиевых каналов, которая приводит к реполяризации клеточной мембраны. В конечном итоге эти меры замедляют проведение нервного импульса.
Кроме описанной системы, в ослаблении боли принимают участие всем известные тормозные нейромедиаторы — гамма-аминомаслянная кислота (ГАМК) [11] и глицин [12]; а опосредованно — многие другие сигнальные молекулы.
Помимо «голубей», тормозящих проведение импульса, есть в спинном мозге и «ястребы», его усиливающие. Самый известный из них — глутамат [13]. В случае проведения ноцицептивного импульса, работа глутамата осуществляется через рецепторы NMDA и AMPA.
Глутамат действует хитро: связываясь с рецепторами АMPA, он вызывает в нейроне активацию уже знакомой нам протеинкиназы С, которая, в свою очередь, приводит к возрастанию уровня внутриклеточного кальция и поляризации мембраны. Помимо того, что это ускоряет проведение болевого импульса, это влияет на NMDA-рецепторы. В норме потенциал-зависимый канал закрыт магниевой «пробкой» и не открывается даже при связанном глутамате. Когда мембрана деполяризируется, магниевая пробка вылетает, и NMDA-рецептор запускает внутрь клетки катионы натрия и кальция, а наружу — калия, что способствует дальнейшей деполяризации мембраны. Самый известный антагонист NDMA-рецепторов — кетамин. Он нашел обширное применение в качестве операционного анестетика, но в последние годы из-за многочисленных нежелательных эффектов (в том числе наркотических), его применяют все реже. В ветеринарной же медицине кетамин, напротив, один из самых широко применяемых анестетиков.
То, в каком виде сигнал дойдет до головного мозга, определяется балансом между противоборствующими сторонами и силой изначального сигнала.
Часть IV: Новая проекция
В сером веществе спинного мозга различают 10 слоев (пластин Рекседа), каждый из которых отличается от других функционалом входящих в его состав нейронов, и, как следствие, — выполняемыми функциями. Чтобы нервный импульс попал на кору больших полушарий, сначала он должен пройти по восходящим путям этих пластин.
Синапс волокон Aδ и C со вторичными афферентными нейронами находится в дорсальном роге спинного мозга. Волокна Aδ и C передают информацию ноцицептивно-специфическим нейронам в I и II пластинах. Кроме того, импульс проецируется и на нейроны других пластин. Это нужно для того, чтобы впоследствии задействовать вторичные системы реакции мозга на боль (благодаря этому боль запоминается).
После того, как импульс проходит модуляцию в задних рогах, он передается нейронам восходящих трактов спинного мозга, каждый из которых имеет определенную функцию в распознавании боли.
Наиболее важны среди них спиноталамический тракт, участвующий в узнавании боли, спинопарабрахиальный тракт, участвующий в вегетативной и мотивационной регуляции реакции на боль, и спиномезенцефалический тракт, участвующий в активации нисходящих анальгетических путей, о действии которых мы говорили раньше.
Часть V: Головной мозг наносит ответный удар
Обработка информации о боли в головном мозге — самая разнообразная и индивидуальная для каждого человека часть работы ноцицепторной системы.
Сначала таламус и парабрахиальное ядро получают информацию от проекционных нейронов в различных пластинах, а затем передают эту сенсорную информацию в корковые и миндалевидные области, где информация расшифровывается как «болезненный стимул».
Стоит отметить, что у боли есть два разных компонента, за восприятие которых отвечают разные области мозга. Сенсорно-дискриминационные аспекты включают силу боли и ее локализацию, в то время как аффективно-эмоциональный компонент боли включает неприятный характер восприятия.
Для того чтобы мозг правильно локализовал источник боли, нервный импульс затем обрабатывается соматосенсорной корой.
Аффективно-мотивационный аспект боли опосредуется медиальным болевым путем, включающим внутриламинарные ядра таламуса, которые проецируются на соматосенсорные структуры коры и лимбической системы. Пластина V же передает ноцицептивные сообщения парабрахиальному внутреннему латеральному ядру. Нервные волокна этого ядра связаны с областями коры, отвечающими за когнитивные функции (например, поведенческую реакцию на боль) и агрессивное поведение [16].
Помимо «осознания боли» ответом часто является реакция «бей или беги», связанная с активацией норадреналинергических нейронов в голубом пятне. Кроме того, после «обработки» болевого сигнала соматосенсорной корой, информация о болевом сигнале передается в гиппокамп — чтобы затем отправиться в долговременную память.
На данный момент мы не можем с точностью сказать, какие молекулярные процессы, происходящие в мозге, отвечают за «субъективное восприятие» боли, поэтому вмешиваться с помощью лекарств на этом уровне восприятия боли никто не решается — слишком опасно.
Часть VI: Возвращение к наболевшему
С помощью одних и вопреки другим нейробиохимическим механизмам, болевой импульс дошел до мозга. На некоторое время организм ждут ощущения от неприятных до ужасающих. Сейчас кажется, что человечество овладело огромным количеством фармакологических методов для остановки боли — однако это лишь иллюзия, и как только противовоспалительные средства — ингибиторы циклооксигеназы — перестают снимать боль, врачам приходится применять «тяжелую артиллерию» опиоидных анальгетиков.
Как мы уже выяснили, сейчас выявлено очень много рецепторов, которые вовлечены в процесс передачи боли, но еще большее количество факторов пока ускользает от всевидящего взгляда ученых. Другой печальный факт заключается в том, что у многих из известных нам болевых рецепторов есть и другие физиологические функции, блокировка которых приведет к значительным побочным эффектам. Разработка антагонистов TRP, а также «опиоидов нового поколения», не вызывающих зависимость, может оказаться настоящим прорывом — но может и повлечь новые невзгоды. Сегодня нам ясно одно — в борьбе за повышение качества жизни боль рано или поздно должна быть взята под контроль, а для того чтобы оседлать этого страшного зверя, его нужно узнать.
Боль, воспаление и другие неприятности: обратная сторона ощущений
Ярослав Андреев, Юлия Логашина, Ксения Лубова, Александр Василевский, Сергей Козлов
«Природа» №12, 2016
Об авторах
Ярослав Алексеевич Андреев — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов отдела молекулярной нейробиологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН. Научные интересы связаны с поиском и характеристикой модуляторов болевых рецепторов.
Юлия Александровна Логашина — младший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается поиском и характеристикой новых лигандов TRPA1 рецептора.
Ксения Игоревна Лубова — студентка биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Изучает TRP рецепторы и их модуляторы.
Александр Александрович Василевский — кандидат химических наук, руководитель группы молекулярных инструментов для нейробиологии отдела молекулярной нейробиологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН. Специалист в области ионных каналов и природных токсинов.
Сергей Александрович Козлов — доктор химических наук, руководитель лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов того же отдела. Область научных интересов — белковые рецепторы в нервной системе и их лиганды.
Говорят, что жизнь — это боль. Хотя в этой фразе содержится нечто негативное, связанное с неприятными ощущениями, переживаниями или даже тяжелыми страданиями, не стоит забывать, что боль (ноцицепция) предупреждает нас об опасности — сигнализирует о нарушениях в организме, который немедленно принимается их устранять. Вместе с тем существует и боль, которая приносит только мучения.
Основная причина появления такой боли — сбои в передаче болевых сигналов (нервных импульсов) от чувствительных нейронов к головному мозгу, который и формирует неприятные ощущения. Когда воздействие неопасных стимулов распознающие нейроны расценивают как опасное, развивается состояние, которое называется гиперчувствительностью. И это не всегда плохо, так как в нужный момент она играет важную роль в процессе выздоровления и восстановления организма. Однако бывает и так, что реального повода нет, а гиперчувствительность ведет к изнурительной хронической боли. В таком случае самые обычные безобидные стимулы (легкое прикосновение или тепло) вызывают аллодинию (от греч. άλλος — другой и οδύνη — мучение), а болезненные стимулы — боль еще большей интенсивности, гиперальгезию (от греч. ὑπέρ — сверх- и ἄλγος — боль). Часто аномально интенсивная и нередко хроническая боль, которая изматывает и физиологически, и психологически, а также затрудняет выздоровление, возникает в результате таких заболеваний, как артрит, опоясывающий лишай, СПИД, рак костей и др.
Прежде чем винить в аномалиях чувствительные нейроны (ноцицепторы), которые воспринимают, анализируют и передают болевые сигналы, разберемся, как они работают в здоровом организме и что происходит при патологиях.
Почему так больно?
Биологическая функция ноцицепторов состоит не только в регистрации раздражителя и сообщении об этом нашему мозгу, но и в восприятии сигналов от ближайших соседей. Нейроны окружены другими клетками организма и межклеточной средой, за сохранность и правильное функционирование которых отвечает наша нервная система. Поэтому у ноцицепторов имеется множество молекулярных сенсоров (или рецепторов), настроенных на распознавание химических раздражителей, изменения состава и свойств межклеточной среды, выброса сигнальных молекул из близлежащих клеток. Нейрон самостоятельно «вычисляет» вклад каждого такого молекулярного сенсора по силе и длительности стимуляции, и, если стимулы расцениваются как нежелательные, сигнализирует об этом — и нам становится больно; это «нормальная» физиологическая боль (ноцицепция). Патологическая боль возникает как в случае гибели нейронов при повреждении проводящей сети периферической или центральной нервной системы, так и при ошибочной работе самих нейронов, а ошибаются они из-за неправильной работы их сенсоров.
Болевые сенсоры (или рецепторы) — это мембранные белки, которые распознают физическое или химическое воздействие на мембрану нейрона. При этом они являются катион-селективными ионными каналами, то есть обеспечивают проведение положительно заряженных ионов (натрия, калия, кальция) через клеточную мембрану. Активация рецепторов приводит к открытию катионных каналов и возбуждению чувствительных нейронов — возникновению нервного импульса. Подробнее о наиболее изученных болевых рецепторах мы расскажем ниже.
Что происходит, когда, предположим, человек по неосторожности обжег руку горячим предметом? Такое опасное температурное воздействие регистрируют рецепторы, которые располагаются в мембране ноцицептора. Они мгновенно распознают сильную стимуляцию и передают импульс в центральную нервную систему. На столь сильное возбуждение мозг незамедлительно реагирует, и мы рефлекторно отдергиваем руку от горячего предмета. Интересно, что те же сенсоры реагируют на капсаицин — активное вещество жгучего перца, вызывающего «пожар» во рту.
За распознавание ряда опасных химических воздействий отвечают другие рецепторы, которые воспринимают стимулы только с внутриклеточной стороны, поэтому для их активации опасные вещества должны не только проникнуть через кожу, но и попасть внутрь нейрона, «пробравшись» через липидную биомембрану. Если химический ожог вызван кислотой, то работать будет именно тот рецептор, который чувствителен к изменению кислотности среды, и тоже даст сильный ответ, как только кислота достигнет нейрона.
Руку мы отдернули, но за время контакта с горячей поверхностью часть наших клеток погибла, и в ответ на повреждение ткани у нас начинает развиваться воспалительный процесс. В этом тоже принимает участие наша нервная система. Из поврежденных клеток через разорванные цитоплазматические мембраны во внеклеточную среду начинают выделяться характерные для внутриклеточной среды молекулы, в частности аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). На этот случай в нейронах тоже есть свой рецептор, который активируется молекулами АТФ и сигнализирует о том, что рядом с ним произошла гибель клеток и требуется их восстановление. Дело в том, что АТФ, как известно еще со школы, — основная энергетическая молекула организма, и такая «ценность» редко оказывается в межклеточной среде.
Нейрон не просто сигнализирует, он выбрасывает во внеклеточную среду особые биологически активные соединения, медиаторы воспаления, что приводит к длительному развитию нейрогенного воспаления — расширению сосудов и привлечению клеток иммунной системы. Пока идет процесс регенерации и в среде присутствуют медиаторы воспаления, сенсорные нейроны посылают сигнал в центральную нервную систему, где он тоже воспринимается как боль, но уже не такая сильная. Так как поврежденная ткань нуждается в защите, чувствительность нейронов к внешним воздействиям повышается, и даже незначительное механическое или тепловое воздействие будет вызывать сильную болевую реакцию. Это и есть «полезная» гиперчувствительность.
Почти все знают, что к поврежденной ткани рекомендуется приложить холод, чтобы облегчить боль и уменьшить воспаление. В этом эффекте также задействованы нейрональные рецепторы. Главный рецептор «по холоду» — ментоловый (помните «мятный» холодок?) — находится не в тех же нейронах, где располагается «тепловой», а потому ощущения холода и жары передаются различными чувствительными волокнами. Оказывается, информация от разных ноцицепторов «суммируется» в спинном мозгу, сигнал от горячего воздействия корректируется с учетом сигнала от холодного, и именно поэтому приложенный кусочек льда может унять сильную боль.
Рис. 1. Упрощенная схема прохождения болевого сигнала. Рецепторы располагаются на клеточной мембране чувствительного нейрона. Активация рецепторов может происходить в результате действия химических веществ, высокой или низкой температуры и медиаторов воспаления, образующихся в результате повреждения тканей. Существует много популяций чувствительных нейронов, каждая из которых содержит различные наборы рецепторов, поэтому «чувствует» нейрон только определенные внешние стимулы. Мозг распознает, какой нейрон с каким набором рецепторов был активирован, и в соответствии с внутренним алгоритмом отвечает на болевые ощущения и запускает механизм восстановления повреждения. Активация ноцицептора провоцирует выброс биологически активных веществ, это приводит к развитию нейрогенного воспаления — расширению сосудов и привлечению клеток иммунной системы
Описанная схема развития боли сильно упрощена (рис. 1). На самом деле, чтобы разобраться в деталях ноцицепции, ученые исследуют каждый рецептор отдельно в изолированных условиях. Эксперименты проводят на клеточных линиях, в которые методами генной инженерии встраивают гены определенных рецепторов. Расскажем немного об изучении и функциях нескольких наиболее важных болевых рецепторов. Как оказалось, они не всегда ориентированы на распознавание и генерацию болевого сигнала, но вовлечены в регуляцию многих других процессов, поэтому умение корректировать их работу различными лекарственными препаратами поможет лечить разнообразные болезни (рис. 2).
Рис. 2. Заболевания человека, при которых установлена неправильная работа болевых рецепторов
Рецепторы температуры и химических раздражителей
Очень часто в развитии боли и воспаления играют роль чувствительные нейроны, которые отвечают за восприятие высокой температуры. Еще в середине XX века обнаружили, что большие дозы капсаицина вызывают у экспериментальных животных новый тип обезболивания (анальгезии) [1]. После введения капсаицина вначале наблюдается характерная поведенческая реакция, вызванная болью, но затем наступает длительный период потери чувствительности к ряду внешних стимулов. Животные в таком состоянии нормально реагируют на мягкое механическое раздражение, но утрачивают реакцию на многие болевые стимулы, и у них не развивается нейрогенное воспаление. Таким образом, нейроны, отвечающие за восприятие высокой температуры, также отвечают за восприятие химических раздражителей и нейрогенный компонент воспалительного ответа [2]. Стало очевидно, что рецептор, который реагирует на воздействие температуры и капсаицина, может оказаться полезной мишенью для поиска средств, направленных на лечение воспаления и боли [3]. В конце ХХ в. этот рецептор был охарактеризован на молекулярном уровне и назван TRPV1 (от англ. transient receptor potential channel vanilloid family member 1 — первый представитель ванилоидного семейства рецепторов переменного рецепторного потенциала), или проще — ванилоидный рецептор 1 (рис. 3) [4]. Название «ванилоидные рецепторы» дано не случайно: TRPV1 и другие представители семейства активируются химическими соединениями, содержащими ванилиновую группу (например, капсаицином). Установлено, что TRPV1 — катион-селективный ионный канал, который активируется различными стимулами (температурой выше 43°C, низким рН, капсаицином), а кроме того, его активность регулируется медиаторами воспаления, правда, не напрямую, а через внутриклеточных посредников. Мыши, нокаутные по гену TRPV1 (то есть такие, у которых ген этого рецептора отсутствует или поврежден так, что не работает), значительно медленнее реагируют на тепло, и у них почти не появляется тепловая гиперчувствительность при воспалении [5]. TRPV1 играет важную роль в ряде патологических состояний: при болях, вызванных воспалительным процессом, при онкологических, нейропатических и висцеральных болях, а также при заболеваниях дыхательных путей, панкреатите и мигрени.
Рис. 3. Пространственная организация болевых рецепторов. Верхний ряд — вид «сверху» (из внеклеточного пространства), нижний ряд — «сбоку» (со стороны мембраны, примерное положение границ которой отмечено схематично линиями). Слева показан рецептор TRPV1 крысы в комплексе с токсином из яда паука, фиксирующим рецептор в активированном состоянии (ионный канал открыт). В центре кислоточувствительный рецептор ASIC1a курицы в комплексе с токсином из яда змеи, который тоже стабилизирует открытое состояние канала. Справа показан АТФ-чувствительный рецептор P2X3 человека в комплексе с природным агонистом АТФ (ионный канал открыт). Токсины и АТФ выделены красным. Субъединицы рецепторов раскрашены в разные цвета; хорошо видно, что TRPV1 тетрамер, а ASIC1a и P2X3 тримеры
Исследования TRPV1 привели к интенсивному изучению подобных рецепторов. Так, был обнаружен еще один ванилоидный рецептор — TRPV3. Интересно, что он реагирует как на приятное тепло, так и на болезненный жар: активность TRPV3 регистрируется при температуре выше 33°C, причем его ответ сильнее на более высокую температуру и возрастает при повторяющейся тепловой стимуляции. Помимо температуры, этот рецептор также активируется камфорой, едкими экстрактами тимьяна, орегано и гвоздики. TRPV3 — еще один кандидат на роль участника в болевой гиперчувствительности, его активность регулируется медиаторами воспаления. Наконец, он напрямую активируется оксидом азота II (NO) — вторичным мессенджером, обеспечивающим увеличение чувствительности нейронов к стимуляции. Также следует отметить наличие TRPV3 в клетках кожи кератиноцитах, где его активация приводит к выбросу воспалительного медиатора интерлейкина-1, что подчеркивает важную роль этого рецептора в воспалительных заболеваниях кожи [6].
TRP-рецепторы — тетрамеры (рис. 3), то есть образованы четырьмя полипептидными цепочками. При этом могут собираться как гомомеры, то есть рецепторы, сформированные одинаковыми цепочками (например, TRPV1 или TRPV3, описанные выше), так и гетеромеры из разных цепей. Гетеромерные рецепторы (например, построенные из цепочек TRPV1 и TRPV3) обладают различной чувствительностью к тепловым стимулам, пороговая температура их активации лежит между значениями, пороговыми для гомомерных рецепторов.
Интересна история открытия холодового рецептора TRPM8 (здесь «M» означает «меластатин», что указывает на функцию рецепторов этого семейства в меланоцитах — клетках кожи, ответственных за пигментацию). Вначале был обнаружен кодирующий его ген, активность которого повышалась при раке простаты и некоторых других онкологических заболеваниях [7]. Много позже была показана способность TRPM8 реагировать на ментол (компонент мяты) и ряд других «освежающих» веществ, а также на понижение температуры (ниже 26°С). Теперь этот рецептор считается основным сенсором холода в нервной системе [8]. Исследования выявили, что TRPM8 отвечает за широкий диапазон восприятия холодовых стимулов — от приятной прохлады до болезненного холода и холодовой гиперчувствительности. Такое разнообразие функций объясняется существованием нескольких субпопуляций чувствительных нейронов, которые используют TRPM8 как многофункциональный сенсор холода, настроенный на определенную температуру при участии внутриклеточных сигнальных систем.
Самый непонятный и очень важный рецептор TRPA1 (здесь «A» означает «анкирин», что указывает на наличие в структуре рецепторов этого семейства большого числа «анкириновых повторов», особых белковых элементов) находят в чувствительных нейронах кожи, клетках эпителия кишечника, легких и мочевого пузыря, причем TRPA1 часто соседствует с TRPV1 [9]. Вещества, активирующие TRPA1, вызывают жжение, механическую и термическую гиперчувствительность, а также нейрогенное воспаление. Гиперэкспрессия гена, кодирующего TRPA1, ведет к возникновению хронического кожного зуда и аллергического дерматита. Наследственное заболевание «синдром эпизодической боли», которое характеризуется неожиданно возникающей изнурительной болью при голодании или физической нагрузке, связано с мутацией в этом рецепторе, приводящей к его избыточной активности [10].
Основная функция TRPA1 — распознавание химических и воспалительных агентов, и их ассортимент столь велик, что с правильной работой этого рецептора связаны почти все жизненные процессы нашего организма. В дыхательной системе он распознает летучие вредные вещества: слезоточивый газ, озон, альдегиды (акролеин, компоненты корицы), сераорганические соединения (жгучие компоненты горчицы, лука и чеснока), вызывая кашель, чихание и образование слизи. В кишечнике TRPA1 регистрирует присутствие воспалительных агентов. Гиперактивность мочевого пузыря при диабете вызвана активацией этого рецептора акролеином, который накапливается в моче. Выявлено участие TRPA1 в возникновении мигрени под влиянием сигаретного дыма и формальдегида у некоторых людей [11].
Воздействие на рецепторы чувствительных нейронов, участвующие в восприятии температуры, с помощью лекарственных средств приводит к облегчению боли и воспаления. Именно так, не зная о молекулярных мишенях, народная медицина в разное время применяла настойки перца (TRPV1), горчицы (TRPA1), мяты (TRPM8) и гвоздики (TRPV3) для лечения ряда воспалительных заболеваний.
Пуриновые рецепторы
Мы уже упоминали, что организму очень важно знать о повреждении тканей. При травмах, когда нарушается целостность органов и происходит гибель клеток, при ишемии или воспалении в межклеточное пространство попадают молекулы АТФ. Этот кофермент множества реакций обеспечивает энергией многие процессы в клетке; он слишком ценен для функционирования клеток, поэтому редко выбрасывается за их пределы. Восприятие повышения локальной концентрации АТФ осуществляют пуринергические рецепторы (P2X), являющиеся катион-селективными ионными каналами, они запускают болевой ответ, возникающий вследствие разрушения тканей, деформации органов и развития опухолей [12]. Для чувствительных нейронов характерны подтипы P2X2 и P2X3, важная роль последнего в развитии боли при воспалении показана в исследованиях на нокаутных мышах. Также известно, что P2X-рецепторы имеют принципиальное значение для многих физиологических процессов, таких как регуляция тонуса сосудов, вкусовая рецепция и т.д.
Рецепторы кислоты
Для регистрации кислотности во многих типах клеток нервной системы присутствуют так называемые кислоточувствительные ионные каналы (acid-sensing ion channels, ASIC). Считается, что они осуществляют передачу сигнала, связанного с локальным изменением рН при нормальной нейрональной активности в центральной нервной системе. Однако задействованы они и в патологических процессах. В последнее время рецептор подтипа ASIC1a рассматривается как один из основных факторов гибели нейронов в центральной нервной системе при ишемических состояниях. При ишемии и гипоксии усиливается гликолиз, в результате чего происходит накопление молочной кислоты и последующее «закисление» ткани. «Выключение» рецептора ASIC1a вызывает нейропротекторное действие в модели ишемии, что было показано на нокаутных мышах [13]. В периферической нервной системе и тканях внутренних органов ASIC ответственны за чувствительность к боли, возникающей при тканевом ацидозе в мышцах, при сердечной ишемии, повреждении роговицы, воспалении, новообразованиях и местной инфекции [14]. В нейронах периферической нервной системы в основном представлены рецепторы подтипа ASIC3, активность которых также необходимо понижать для купирования боли.
В отличие от TRP-рецепторов, P2X-рецепторы и ASIC являются тримерами (рис. 3), т.е. собраны из трех полипептидных цепочек. Но точно так же эти рецепторы могут быть гомомерами и гетеромерами, что увеличивает их разнообразие и спектр выполняемых функций.
Как победить боль?
Первой «болевой» мишенью для фармацевтических компаний стал рецептор TRPV1, поскольку содержащие его чувствительные нейроны играют роль интеграторов многих стимулов, воспринимающихся как боль. Скрининг химических библиотек и рациональный дизайн лигандов на основе знаний о сайте связывания капсаицина позволили создать значительное количество высокоэффективных низкомолекулярных ингибиторов TRPV1. Эти соединения обладали обезболивающим эффектом, но приводили к развитию гипертермии — повышению температуры тела (на 1,5–3°С). Гипертермия стала основной причиной отказа фармакологических компаний от развития лекарственных препаратов на основе полных антагонистов рецептора TRPV1. Однако если ингибировать этот рецептор лишь частично, повышения температуры тела можно избежать. И такие частичные ингибиторы TRPV1 нам, под руководством академика Е. В. Гришина (1946–2016), удалось найти в яде морской анемоны Heteractis crispa. В яде анемоны обнаружено сразу три пептида, ингибирующих TRPV1 и не повышающих температуру тела [15, 16], но наиболее мягким эффектом обладал пептид, получивший название АРНС3. Он имеет сильный анальгетический эффект в дозах 0,01–0,1 мг/кг массы тела и слабо понижает температуру тела (всего на 0,6°С) [17]. По силе обезболивания он сопоставим с морфином, но не вызывает наркотического действия и привыкания. По данным доклинических исследований, пептид полностью пригоден для дальнейших клинических испытаний, так как никакие побочные эффекты на лабораторных животных не были обнаружены. Более того, понижение температуры тела необходимо, например, для обеспечения нейропротекции у выживших после остановки сердца, и гипотермическое действие пептида может служить дополнительным бонусом.
Рецепторы чувствительных нейронов представляют собой заманчивую, но сложную мишень для создания лекарств. Препараты, если они обладают хорошей селективностью к этим рецепторам, будут приняты потребителями с большой радостью, так как почти все современные средства ограничены в применении из-за побочных эффектов. Работы по поиску селективных препаратов ведутся, в том числе и в нашей стране, и при благоприятном стечении обстоятельств такие лекарства уже скоро смогут появиться в аптеках. Долгих вам лет жизни без боли!
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 14-24-00118).