Jak víte, Nobelova cena za biologii neexistuje. Místo toho se cena uděluje za úspěchy v oblasti fyziologie a medicíny. A tato formulace není náhodná, protože moderní fyziologie je především teoretickým základem medicíny. Zdálo by se, že by z toho mělo plynout, že fyziologové jsou přízemní lidé, zabývající se čistě praktickým vývojem. To však neplatí, pokud mluvíme o fyziologech z Fakulty biologie Moskevské státní univerzity. Univerzita je především doménou fundamentální vědy, ale i přes zdánlivý odstup této práce od praxe se bez dnešního fundamentálního výzkumu v oblasti fyziologie zvířat zítra lékařský vývoj zastaví.
Jedna z posledních prací prováděných v BBS se týkala mechanismů adaptace rybího srdce na nízké teploty. Ukázalo se, že v srdci navagy, která, jak známo, nejen aktivně plave, ale také se třou při teplotě kolem 0 °C, se s nástupem zimy prudce zvyšuje exprese draslíkových kanálů. V důsledku toho se zkracuje trvání akčních potenciálů v srdci a ryby jsou schopny zvýšit svou srdeční frekvenci, aby kompenzovaly potlačení kontraktilní aktivity v podmínkách nízké teploty.
Jedním z nejdůležitějších oborů fyziologické vědy je srdeční elektrofyziologie. Lidský život totiž závisí na stabilitě elektrických procesů v myokardu a poruchy běžné elektrické aktivity jsou nejčastější příčinou úmrtí našich spoluobčanů. V současné době vědci používají tři generace elektrofyziologických metod. První generací jsou techniky, které zahrnují práci se skleněnými mikroelektrodami na tkáňových preparátech. Jejich princip je jednoduchý: do srdečního vlákna se pomocí mikromanipulátoru zavede tenká ostrá mikropipeta naplněná elektrolytem. V tomto případě se pomocí speciálního zesilovače zaznamenává rozdíl potenciálů mezi touto mikroelektrodou a referenční elektrodou umístěnou ve solném roztoku promývacím přípravek. Udržet hrot mikroelektrody uvnitř buňky umístěné v bijícím preparátu myokardu však není tak snadné! Experimenty zahrnují mnoho hodin tvrdé práce, která vyžaduje trpělivost, odhodlání a pevné nervy. Druhá skupina metod (patch-clamp) je určena k práci na jednotlivých kardiomyocytech izolovaných z tkáně pomocí enzymatické léčby. K buněčné membráně je připojena skleněná náplastová pipeta, která je mnohem tlustší než mikroelektroda, po které je v této oblasti membrány vytvořen otvor. Zesilovač umožňuje fixovat membránový potenciál na úrovni určené experimentátorem a zaznamenávat iontové proudy procházející buněčnou membránou. Nakonec tzv. zobrazování. Zahrnuje ošetření izolovaných buněk fluorescenčními barvivy, která jsou citlivá na určité fyziologické parametry, například koncentraci vápníku.
Je snadné vidět, že moderní elektrofyziologické studie vyžadují nejen vysokou kvalifikaci, ale také drahé vybavení. Je možné, že právě proto je v Rusku na tuto oblast specializovaných laboratoří méně než prstů na ruce. Před nějakými 6-7 lety naše univerzita také takové odborníky neměla, ale nyní skupina Ph.D. Galina Sergeevna Suchova, včetně Ph.D. Vladislav Kuzmin, stejně jako Ph.D. Denis Abramochkin a jeho postgraduální studentky Anastasia Borodinova a Svetlana Tapilina. V posledních letech katedra instalovala tři zařízení pro záznam mikroelektrod a v lednu byla zprovozněna instalace patch-clamp pro záznam iontových proudů.
Kromě toho katedra získala novou elektrofyziologickou laboratoř na Biologické stanici Bílého moře Moskevské státní univerzity. Tam, kde došlo v roce 2006 k devastaci, jsou nyní nové instalace, kde pracují studenti a zaměstnanci katedry. V loňském roce se na Moskevské státní univerzitě konala První mezinárodní letní škola mládeže o srovnávací fyziologii mořských živočichů. Studenti a postgraduální studenti z Velké Británie, Francie, Srbska, Německa a dalších zemí se přijeli naučit moderní fyziologické metody a byli s tím velmi spokojeni. Na rozdíl od moskevské laboratoře bylo v BBS díky přítomnosti laserového skenovacího konfokálního mikroskopu Nikon A1 možné zavést kalciové zobrazování kardiomyocytů.
Mediátory jsou intermediární látky uvolňované na synapsi – místě, kde je nutné přenést excitační nebo inhibiční signál z jedné buňky do druhé.
Proč se tyto metody používají a jaký je přínos těchto studií? Hlavní vědecký zájem D. V. Abramochkina souvisí s mechanismy cholinergní (tj. zprostředkované mediátorem acetylcholinem) regulace srdce. Jako další oblast práce skupina spolu s kolegy z Finska a Velké Británie studuje mechanismy elektrické aktivity srdce ryb na Moskevské státní univerzitě.
Jedním z hlavních úspěchů skupiny je objev nekvantální sekrece acetylcholinu v myokardu. Fyziologové dobře znají kvantovou metodu sekrece, která je zprostředkována exocytózou váčků naplněných mediátorem s uvolněním jejich obsahu do synaptické štěrbiny. Přesto Bernard Katz, oceněný Nobelovou cenou za objev kvantové sekrece, také popsal zásadně odlišný mechanismus uvolňování vysílače – nekvantový. Katz studoval neuromuskulární spojení žáby, kde hlavním přenašečem je acetylcholin. A pouhých 30 let po tomto objevu se ve zdech Biologické fakulty Moskevské státní univerzity zjistilo, že nekvantová sekrece acetylcholinu existuje nejen v kosterním svalstvu, ale také v srdci. To bylo poprvé prokázáno u krysy a potvrzeno u ryb ulovených a studovaných v Bílém moři. Krátce poté skupina mexických výzkumníků objevila nekvantální sekreci ACh v hladkém svalstvu.
Mechanismus nekvantální sekrece není zcela jasný, ale existují dva hlavní kandidáti na roli molekuly transportující acetylcholin: vezikulární transportér acetylcholinu a transportér zpětného vychytávání cholinu s vysokou afinitou. Údaje z Abramochkinovy skupiny naznačují, že druhá hypotéza je správná. Vyvstává otázka o fyziologickém významu nekvantové sekrece acetylcholinu ze srdečních parasympatických neuronů, protože normálně kvantově kontinuálně uvolňují přenašeč. V ontogenezi však existuje stadium, kdy je acetylcholin již syntetizován v intrakardiálních neuronech, ale mechanismus exocytózy vezikuly v reakci na excitaci těchto neuronů ještě nefunguje. U potkana toto období trvá od 19. do 21. dne nitroděložního vývoje. Podařilo se prokázat, že v tomto období již dochází k nekvantové sekreci, což znamená, že v této době je to jediná cesta pro uvolnění acetylcholinu, který má trofický účinek na kardiomyocyty, do myokardu.
Vyhlídky na možnou praktickou aplikaci těchto úspěchů jsou spojeny s ochranným účinkem acetylcholinu na myokard. Zejména v pracích akademika L. V. Rozenshtraucha bylo prokázáno, že acetylcholin, přirozeně uvolňovaný z parasympatických srdečních neuronů, značně snižuje pravděpodobnost rozvoje smrtelných komplikací po infarktu. Rozluštění mechanismů sekrece acetylcholinu v srdci a jeho vlivu na kardiomyocyty umožní nalézt způsob využití jeho kardioprotektivních vlastností v klinické praxi.
Text, foto: Vadim Sukhov, Stepan Kromsalin
