Ученые описали ранее малоизученную защитную систему организма, в основе которой лежат нанопузырьки газов, формирующиеся в слое на поверхности клеток. При их схлопывании высвобождается энергия, способная разрушать вирусы, бактерии и другие чужеродные элементы, включая «плохой» холестерин и опухолевые клетки. Кроме того, высвобождаемая энергия запускает важные биохимические реакции, связанные с обменом веществ. При недостатке таких пузырьков могут развиваться различные заболевания. Понимание этих механизмов потенциально открывает путь к созданию умных лекарств. Однако эксперты отмечают, что необходимы биомедицинские доказательства, чтобы концепция легла в основу фармацевтических технологий.

Как нанопузырьки защищают клетки от вирусов

Ученые из Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Австралийского национального университета предложили новую модель защитной системы организма. Согласно их гипотезе, в роли охранников выступают нанопузырьки углекислого газа, азота и кислорода. Они находятся в гликокаликсе — защитном слое на поверхности клеток.

— Когда мы дышим, кислород и азот попадают в организм в виде крошечных стабильных пузырьков. Углекислый газ, который клетки производят во время работы, тоже превращается в «шарики». Они представляют собой хранилища, которые содержат в себе энергию и активные вещества, — рассказал «Известиям» соавтор исследования, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Физика» МГТУ Николай Бункин.

Справка «Известий»

Гликокаликс — сеть из множества «волосков» или «щетинок», которые покрывают клеточную мембрану. Они состоят из углеводов (сахаров) и белков, что отражается в названии термина. В переводе с греческого это означает «сладкая оболочка». Она помогает клеткам «склеиваться» друг с другом и удерживает на их поверхности нужные вещества — ферменты, сигнальные молекулы. Кроме того, этот слой выполняет функцию барьера, который оберегает мембрану от повреждений и не дает крупным частицам (бактериям, вирусам, лишним жирам) приблизиться к клетке.

Представленные механизмы, объяснил он, возникли в глубокой древности. Гликокаликс работает как «молекулярное сито». Через него проходят и «застревают» пузырьки кислорода и азота, поступившие из легких, и углекислого газа, который образовался в результате жизнедеятельности клеток.

По словам ученого, размеры пузырьков могут быть от 2 до 40 нм. При атаке вирусов пузырьки схлопываются, и высвобождаемая при этом энергия способна разрушать патогены, буквально «разрывая» их на части. Аналогичный механизм может срабатывать и при осаждении «плохого» холестерина. Кроме защитной функции, энергия этих микропузырьков участвует в запуске ряда ключевых биохимических реакций, обеспечивающих обмен веществ. При их недостатке многие процессы в организме могут замедляться или нарушаться.

От чего зависит стабильность нанопузырьков

— Ранее считалось, что гликокаликс — пассивная структура. Наша работа, напротив, показала, что это динамичная самоорганизующаяся умная среда. Ее внутренняя структура управляет транспортом веществ к клетке. А нанопузырьки газа выступают в роли универсальных «мастер-ферментов», которые поставляют энергию для множества реакций, — объяснил Николай Бункин.

Стабильность нанопузырьков зависит от концентрации солей, сахаров и аминокислот в крови. Таким образом, сбалансированное питание с достаточным количеством микроэлементов помогает укрепить такую защиту, отметил он. Также с помощью умных препаратов можно влиять на структуру гликокаликса, а через нее — на свойства нанопузырьков.

Еще один метод — занятия спортом. При физической активности в организме вырабатывается больше углекислого газа. Это делает защитный слой более мощным и помогает лучше отталкивать вирусы, бактерии, «плохой» холестерин и даже раковые клетки.

— В контексте тренировочного процесса рассмотренные эффекты согласуются с классическими принципами подготовки. Нагрузки увеличивают скорость кровотока. Это стимулирует внутренний слой сосудов на выработку оксида азота, который отвечает за расширение сосудов и улучшение кровоснабжения тканей. Также есть данные, что регулярные аэробные нагрузки способствуют восстановлению гликокаликса, — отметил тренер и основатель бегового клуба MRun Александр Макаров.

Знание физиологических механизмов позволяет выстраивать тренировочный процесс не интуитивно, а осознанно. Понимание того, как организм реагирует на разные типы нагрузки, дает возможность точно дозировать объем и интенсивность, управлять адаптацией и снижать риск перегрузок. Это делает результат более предсказуемым, а сам процесс — более безопасным и устойчивым.

Вывод на рынок новых лекарственных продуктов

— Идея, что пузырьки играют роль «микрощита» для клеток, звучит перспективно и отражает современный тренд, который заключается в поиске тонких, биофизических механизмов защиты организма. При этом важно, что мы находимся на раннем этапе, и до появления умных лекарств в клинической практике еще долгий путь. Если коротко — это не готовая терапия, а сильная научная гипотеза с потенциалом, — рассказала «Известиям» доцент кафедры общественного здоровья, здравоохранения и гигиены Российского университета дружбы народов имени П. Лумумбы Елена Каверина.

По ее словам, гликокаликс активно изучают в контексте сосудистого здоровья, воспаления и атеросклероза. Сейчас, скорее, происходит переоценка его роли — от второстепенного к важному участнику защиты сосудов.

— Работа ученых предлагает новый физико-химический взгляд, который хорошо дополняет классическую биологию. Это может способствовать открытию новых механизмов лечения. Однако утверждение, что оптимизация пузырьков способна стать основой терапии пока выглядит преждевременным. Даже если нанопузырьки влияют на микроокружение, их вклад будет лишь одним из множества факторов, — отметил руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан Альберт Ризванов.

По его словам, практическая реализация предложенных подходов потребует интеграции с биохимией и фармакологией. При этом многие положения, выдвинутые исследователями, требуют подтверждения. Без строгих биомедицинских доказательств такие концепции не могут лечь в основу фармацевтических технологий. Вместе с тем управлять наноструктурой гликокаликса сложно: это динамичная, неоднородная среда, которая зависит от ионного состава, белков, кровотока и множества других факторов. Любое вмешательство должно быть высокоспецифичным, иначе риск побочных эффектов будет очень высоким, добавил эксперт.

Создание и вывод на рынок новых лекарственных продуктов требует значительных интеллектуальных, временных и финансовых вложений, отметил доцент кафедры «Общая и клиническая фармакология» Пензенского государственного университета Евгений Курдюков. Весь процесс обычно занимает от 10 до 15 лет. При этом необходимо изучить влияние нового препарата на организм человека и подтвердить безопасность и эффективность его применения. Также требуется разработать технологию производства.