Хрусталик глаза – чудо природы

 

Муранов К., Островский М.*

* Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

 

Впервые опубликовано: В мире науки. – 2021. – № 4 (апрель). – С. 52–57.

Хрусталик глаза – поистине чудо природы. Мало того что он прозрачен, притом почти всю жизнь, он еще и живая фокусирующая линза, обеспечивающая резкость изображения на сетчатке. Кроме того, это светофильтр, отсекающий от сетчатки опасный для нее ультрафиолет.

Довольно давно стало понятно, почему хрусталик прозрачен, но до сих пор неясно, как эту прозрачность сохранить, не допустить его помутнения, то есть развития катаракты – самого распространенного глазного заболевания в мире. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), причиной слепоты почти 40 % людей в возрасте 50 лет и старше становится именно катаракта.

Из всех видов катаракт «старческая» – постоянный бич стареющего человечества. Конечно, современная высокотехнологичная, изощренная хирургия позволяет удалить помутневший хрусталик и заменить его на новый, искусственный. Но само хирургическое вмешательство может быть небезобидным. Поэтому, естественно, лучше предотвратить катаракту, чем ее оперировать. А для этого нужно хорошо понимать, почему хрусталик прозрачный, с помощью каких механизмов эта прозрачность поддерживается, почему он начинает мутнеть. В последнее время на многие из этих вопросов получены вполне вразумительные ответы.

 

Почему хрусталик прозрачный

Хрусталик глаза сделан из протеина, то есть из белка. А белок обладает удивительными свойствами. Его раствор при низкой концентрации, например 3 мг в миллилитре, абсолютно прозрачен. Если постепенно увеличивать концентрацию белка, то раствор начнет мутнеть. Но если концентрацию белка довести до 300 мг в миллилитре, то раствор снова станет прозрачен. И вот это чудо! Получается, что раствор белка прозрачен и при маленькой концентрации 3 мг в миллилитре, и при в 100 раз большей концентрации. Коллоидная химия (а раствор белка – это коллоидный раствор) дает довольно простое объяснение. Вследствие броуновского движения молекулы белка перемещаются, образуя зоны с повышенной и пониженной концентрацией. Свет рассеивается, проходя через такие зоны, вот он – коллоидный раствор! При увеличении концентрации белка расстояние между его молекулами будет уменьшаться и в конце концов сократится настолько, что раствор белка приобретет структуру, подобную кристаллу. А кристалл, как известно, прозрачен. Именно поэтому, согласно законам коллоидной химии, хрусталик прозрачен, ведь концентрация белка в нем неимоверно высока – 450 мг в миллилитре у человека и 900 мг в миллилитре у мыши!

Необходимо отметить, что прозрачен он не для ультрафиолета, а в пожилом возрасте – и не для фиолетово-синих лучей видимого спектра. Правда, в младенческом и детском возрасте хрусталик прозрачен частично для ультрафиолета и фиолетово-синих лучей. В физиологии зрения такая прозрачность получила название «ультрафиолетовое окно». А ультрафиолет для сетчатки губителен. Опасность эта для детей особенно обострилась в связи с широким распространением светодиодного освещения и необдуманным увлечением им. Свет «холодных» фиолетово-синих светодиодов, проникая через «ультрафиолетовое окно» детского хрусталика, способен вызвать непредсказуемые и самые неблагоприятные последствия для зрения.

У взрослого человека средних лет «ультрафиолетового окна» уже нет, и его хрусталик, задерживая ультрафиолет, свободно пропускает к сетчатке все лучи видимого спектра. Однако ближе к пожилому возрасту нормальный здоровый хрусталик, продолжая оставаться прозрачным, начинает желтеть. И это для сетчатки величайшее благо, ибо к пожилому и старческому возрасту в сетчатке и лежащем за ней так называемом пигментном эпителии накапливаются вещества, поглощающие свет как раз в фиолетово-синей области спектра. Поглотив свет, эти вещества образуют активные токсичные формы кислорода. Иными словами, они фототоксичны. Желтеющий с возрастом хрусталик все больше задерживает фиолетово-синие лучи, защищая сетчатку от опасности фотоповреждения.

 

Как поддерживается прозрачность хрусталика и почему он мутнеет

Ключевую роль в системе защиты прозрачности играет один из белков самого хрусталика. Дело в том, что в хрусталике есть несколько видов белков-кристаллинов. Основные – это альфа-, бета- и гамма-кристаллины. Причем бета- и гамма-кристаллины очень легко слипаются, агрегируют. Если это случится, прозрачность исчезнет, хрусталик помутнеет. Альфа-кристаллин поддерживает прозрачность, не дает бета- и гамма-кристаллинам слипаться, образовывать агрегаты – комки. Но стоит альфа-кристаллину чуть-чуть испортиться – и он теряет способность удерживать бета- и гамма-кристаллины от агрегации. В результате хрусталик начинает мутнеть. Таков механизм образования катаракты.

Альфа-кристаллин принадлежит к классу так называемых шаперонных белков. Шапероны способны восстанавливать нормальную (нативную) структуру поврежденного белка, иными словами, «чинить» поврежденные белки. Чтобы понять, как именно это происходит, прежде всего, нужно знать, как они устроены, то есть их трехмерную структуру.

Молекула альфа-кристаллина имеет внутри себя нечто похожее на полость. В эту полость входят поврежденные (в нашем случае – ультрафиолетом) молекулы бета- и гамма-кристаллинов. Внутри полости повреждения «лечатся», восстанавливается исходная, нативная структура белка. В результате «лечения» молекулы бета- и гамма-кристаллинов не слипаются – раствор остается прозрачным, а если и мутнеет, то гораздо медленнее.

 

Рассеяние синего света растворами альфа-кристаллина разной концентрации: А – 3 мг на 1 мл; В – 54 мг на 1 мл; С – 300 мг на 1 мл

 

Однако с возрастом падают как защитная активность альфа-кристаллина, так и его количество в хрусталике. Поэтому он уже не способен эффективно удерживать бета- и гамма-кристаллины от агрегации. Такова причина возникновения и развития старческой катаракты.

Помимо альфа-кристаллина, в систему защиты прозрачности хрусталика входят природные антиоксиданты и антиоксидантные ферменты. Дело в том, что активные формы кислорода, атакуя молекулу белка, повреждают ее. К счастью, кислорода в хрусталике практически нет. Но при воздействии различных катарактогенных факторов, в том числе ультрафиолета, кислород достигает белков хрусталика и его активные формы портят белки – окисляют. В результате такой порчи хрусталик мутнеет. Поэтому антиоксиданты и антиоксидантные ферменты самого хрусталика – важнейшая линия защиты от помутнения.

Катаракта возникает не только от старости. Известно довольно много ее причин: это и диабет, и различные виды радиации – от ультрафиолета и рентгеновских лучей до тяжелых заряженных частиц галактического излучения и ряда других факторов. Казалось бы, механизм возникновения катаракты должен зависеть от природы повреждающего фактора. Однако это не так. Различные катарактогенные факторы (радиация, ультрафиолет, повышенный уровень сахара в крови и др.) повреждают клетки наружного эпителиального слоя хрусталика. В результате в этом слое образуются бреши, через которые внутрь хрусталика начинает проникать кислород. В норме кислорода в хрусталике практически нет. В присутствие же кислорода митохондрии, еще сохранившиеся в клетках корковой части хрусталика, начинают вырабатывать активные формы кислорода, которые вызывают окислительное повреждение белков. Окисленные же белки имеют склонность к агрегации. В какой-то момент, когда компенсаторная защитная система не выдерживает, белки начинают денатурировать и агрегировать. Образовавшиеся агрегаты, подобно все нарастающим комкам, превращаются в так называемые мультиламеллярные тела. Эти тела и сами рассеивают свет, и нарушают кристаллоподобную упаковку белков хрусталика. Хрусталик перестает быть прозрачным – возникает катаракта.

 

 

Как предотвратить катаракту

Несмотря на существование множества видов антикатарактальных капель, реально катаракта ими не предотвращается. И сейчас становится понятно почему. Все дело в том, что капать в глаз капли начинают, как правило, когда хрусталик уже стал мутноватым. А это значит, что и кислород уже сделал свое черное дело, и альфа-кристаллин уже не в состоянии предотвратить агрегацию бета- и гамма-кристаллинов. А уж если эти белки-кристаллины схлопнулись, слиплись, образовали агрегаты, мультиламеллярные тела, то вернуть ситуацию вспять невозможно.

Что же можно сделать, чтобы задержать, предотвратить помутнение хрусталика?

Во-первых, нужно поймать момент, когда белки хрусталика еще только-только начинают агрегировать. Во-вторых, необходимо создать такой антикатарактальный препарат, который одновременно и не давал бы белкам окисляться, и, подобно естественному альфа-кристаллину, предотвращал бы агрегацию бета- и гамма-кристаллинов.

Чтобы поймать момент, когда белки хрусталика только-только начинают агрегировать, надо «заглянуть в глаз». Это можно осуществить с помощью современного оптического прибора, который мы условно назвали «Катарактомер». Суть его работы – с помощью анализа некоторых характеристик света, рассеянного хрусталиком, можно «увидеть» как снижение количества молекул альфа-кристаллина, так и появление белковых агрегатов в хрусталике.

Главный принцип работы такого прибора – регистрация света, рассеянного внутри хрусталика. Создано несколько конструкций подобных инструментов. Одна из таких конструкций, разработанная профессором Рифатом Анзари из NASA, уже проходит клинические испытания.

Будем надеяться, что в недалеком будущем при обычном профилактическом осмотре врач после десятиминутного обследования сможет сказать пациенту, что он в группе риска и что было бы совсем неплохо немедленно начать капать в глаз антикатарактальные препараты.

 

Что капать

Мы направили свои усилия на создание препарата, который помогал бы альфа-кристаллину предотвращать агрегацию бета- и гамма-кристаллинов. Такой комбинированный препарат нами недавно был разработан. В его основе два вещества – N-ацетилкарнозин и пантетин.

Почему N-ацетилкарнозин? Он представляет собой производное карнозина. Карнозин и еще в большей степени N-ацетилкарнозин не столько предотвращают окисление белков, сколько эффективно тормозят их агрегацию, причем в очень низких концентрациях.

Иными словами, N-ацетилкарнозин проявлял шапероноподобные свойства, похожие на свойства альфа-кристаллина.

Почему пантетин? Оказалось, что он существенно повышает способность альфа-кристаллина защищать поврежденные белки от агрегации. В содружестве с сотрудниками НИИ глазных болезней мы подробно исследовали антикатарактальный эффект нашего комплексного препарата іп vivo. На модели ультрафиолетовой катаракты у крыс было показано, что смесь N-ацетилкарнозина и пантетина действительно эффективно предотвращает развитие катаракты.

Комбинация антиоксидантных и шапероноподобных препаратов может оказаться эффективным лекарством для предотвращения катаракты. Совершенно очевидно, что впечатляющие успехи в понимании природы прозрачности хрусталика и ее поддержании, знание механизмов нарушения этой прозрачности в самом скором времени приведут к эффективной лекарственной профилактике развития катаракты. И тогда ее хирургическое лечение – замена помутневшего хрусталика на искусственный – перестанет быть единственным и неизбежным способом вернуть зрение больным людям.

Хрусталик – действительно чудо природы, и беречь его надо так, как и полагается беречь зеницу ока.

 

Антикатарактальный эффект смеси N-ацетилкарнозина и пантетина: А – ультрафиолетовая катаракта у крысы, зеленая стрелка отмечает помутнения хрусталика, синяя стрелка – отражение света осветителя; В – прозрачный хрусталик после лечения

 

Visuspharm