К ВОПРОСУ О СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ РАЗВИТИЯ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ

№58-2,

Физико-математические науки

В статье рассматривается одно из перспективных направлений фундаментальной медицины, и обосновываются приоритеты развития биофизики. На примере известных результатов исследований мембранного транспорта ионов на основе применения флуоресцентных красителей и специфических блокаторов ионных каналов, проанализированы пути внутриклеточной сигнализации и вторичного посредника - иона кальция в различных патологических состояниях клеток.

Похожие материалы

Современный этап развития медицинских наук определяется формированием новых подотраслей, в которых значительное внимание уделено проведению фундаментальных исследований с использованием современных технологий. Такими подотраслями являются биофизика и медицинская кибернетика, относительно молодые научные направления, сформированные на стыке соответствующих наук. Неспроста Нобелевская премия 2016 года в категории «Физиология и медицина» была присуждена биофизику Е. Осуми, раскрывшему физические процессы, протекающие во внутриклеточных мембранах, и доказавшему одну из причин возникновения онкологических заболеваний, болезни Альцгеймера и др. – трансформационные сбои в формировании внутриклеточных мембран. Это, как и многие другие исследования, позволяют определить биофизику, в том числе биофизику клетки, как значимое сегодня научное направление.

С этой точки зрения изучаемая студентами медицинских вузов дисциплина «физика» или «биофизика» включает в себя раздел «биофизика клетки». Следует отметить, что современная биофизика ориентирована на исследования механизмов физических и физико-химических процессов на клеточном уровне. Что является вполне обоснованным, так как жизненные функции присущи клетке, которая является не просто структурной единицей живого организма, но и открытой термодинамической системой, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Как справедливо отмечается во многих научных трудах и учебниках [1-6], биофизика клетки – особый, имеющий большое значение раздел биологии, физики, медицины, позволяющий наиболее полно раскрывать современные исследования на атомном и молекулярном уровне с исследованиями на уровне органов и биологических систем в целом. Подобное развитие биофизики становится возможным только за счет применения современных технологий, в частности электронной микроскопии. Здесь же отметим, что вклад Осуми важен и потому, что ученому удалось описать на языке микроскопии решение задач флуорисцентного и ингибиторного анализа. Благодаря этому новый толчок в своем развитии получила не только биофизика, но и медицинские науки в целом, занимающиеся вопросами разработки алгоритмов лечения и лекарственных препаратов для борьбы с онкологическими заболеваниями, болезнью Паркинсона, Альцгеймера и т.д.

Учитывая большую значимость раздела «биофизика клетки» в обучении студентов медицинских вузов для формирования у них фундаментальных знаний в области физических и химических процессов, протекающих в клетке, особенно при ее открытом взаимодействии со средой, рассмотрим в качестве примера результаты актуальных исследований внутриклеточной сигнализации. В клеточной биофизике механизмы формирования клеточного ответа на стимул являются часто исследуемым объектом. Несмотря на то, что сегодня достигнут значительный прогресс в понимании способов активизации клеток, роли вторичного посредника – ионов кальция учеными уделяется особое внимание. При этом известно, что изменения в транспорте и внутриклеточной концентрации ионов кальция оказывают влияние на общие и специализированные клеточные функции, в том числе пролиферацию, рост, секрецию, сокращение, иммунный ответ. Поэтому была поставлена задача исследования роли температурного фактора в регуляции рецептор-зависимого входа ионов кальция и изменения внутриклеточного pH в клетках асцитной карциномы Эрлиха (АКЭ) при активации их экзогенного аденозинтрифосфата (АТФ). Здесь же необходимо отметить, что далее анализируя полученные результаты исследования, было подтверждено, что молекула АТФ, являясь универсальным источником энергии, выступает в роли мессенджера, определяя само поведение клеток.

По аналогии с известными экспериментами в данной области [2-5], клетки АКЭ поддерживали в белых беспородных мышах с помощью внутрибрюшинного введения асцитной жидкости от опухоленесущих животных-доноров. В эксперименте использованы клетки через 7-8 дней после прививки. Концентрацию ионов кальция в цитозоле измеряли с помощью флуоресцентного зонда Фура-2, внутриклеточный pH определяли с использованием зонда BCECF. Для регистрации указанных параметров клетки помещали в термостатируемую ячейку флуориметра при постоянном перемешивании. Учитывая, что в процессе эксперимента окрашенные Фура-2 и BCECF клетки хранили в холодильнике при температуре +4ºС перед помещением в термостатируемую ячейку с температурой +37ºС, был также исследован процесс адаптации клеток к смене температуры. Сравнение внутриклеточной концентрации кальция и pH-ответа в клетках, инкубированных в разное время при температуре +37ºС, свидетельствует о том, что для развития pH-ответа и полноценного кальциевого сигнала необходим предварительный 8-10-минутный период инкубации клеток при температуре + 37ºС. Если АТФ добавляли раньше этого срока, то не наблюдали повышения pH, а в Са-сигнале отсутствовала вторая фаза, связанная с входом ионов кальция из внеклеточной среды. Такая зависимость от температуры pH и кальциевых ответов на АТФ, по-видимому, объясняется температурной чувствительностью механизмов, генерирующих эти ионные сигналы. В данных экспериментах также подтверждается взаимосвязь процессов ионов кальция и активации натрий - водородного обмена.

По-нашему мнению, эти данные необходимо учитывать при выяснении механизмов воздействия и побочных эффектов лекарственных средств от температуры различных органов и тканей, на которые непосредственно действуют препараты. Результаты работы являются важным дополнением для разработки методов, использующих измерение ионных сигналов в качестве теста - мониторинга на биологическую и фармакологическую активность лекарств.

Список литературы

  1. Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008.
  2. Костюк П. Г. Кальций и клеточная возбудимость. — М.: Наука, 1986.
  3. Крутецкая З.И., Лебедев О.Е. Структурно-функциональная организация и механизмы регуляции потенциал-зависимых натриевых и кальциевых каналов клеток. – СПб.: Изд. СПбГУ, 2000.
  4. Замай Т.Н., Замай А.С. Концентрация внутриклеточного кальция в асцитных клетках карциномы Эрлиха с разной скоростью пролиферации // Фундаментальные исследования, 2004. - №1. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/kontsentratsiya-vnutrikletochnogo-kaltsiya-v-astsitnyh-kletkah-kartsinomy-erliha-s-raznoy-skorostyu-proliferatsii
  5. Ким Ю.А., Зинченко В.П., Абдрасилов Б.С. Исследование влияния электромагнитного излучения на транспорт ионов кальция в клетках животных. URL: http://www.library.biophys.msu.ru/gettext?Serial=76206
  6. Опыт облучения карциномы Эрлиха при низком pH. URL: http://dommedika.com/283.html Dommedika