Боль? Просто выключите ее! Это может звучать, как научная фантастика, но химики из Мюнхена, Беркли и Бордо добились успеха в подавлении активности болевых нейронов с помощью фоточувствительного химического вещества-сенсора, выступающего в качестве «выключателя». Для ученых этот метод в первую очередь представляет собой ценный инструмент для изучения нейробиологии боли.

Выключатель восприятия боли – заманчивая идея, но насколько она реальна? Химикам из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München), в сотрудничестве с коллегами из Беркли (Berkeley) и Бордо (Bordeaux), удалось в лабораторных экспериментах показать, что активность чувствительных к боли нейронов можно подавить с помощью химического вещества, действующего в качестве фоточувствительного выключателя.

Система, разработанная группой во главе с профессором химической биологии и генетики Дирком Траунером (Dirk Trauner), – химическое соединение, которое они назвали QAQ (quaternary ammonium–azobenzene–quaternary ammonium). Молекула состоит из двух функциональных частей, содержащих четвертичный аммоний, соединенных двойной азотной связью (N=N). Этот мостик, собственно, и является выключателем, так как именно его конформация может быть изменена с помощью света. Облучение светом определенной длины волны заставляет молекулы перейти от изогнутой (cis) к растянутой (trans) форме; воздействие светом другого цвета вызывает обратный эффект.

Каждая из двух половин QAQ имеет структуру близкую к одному из активных аналогов лидокаина (QX-314), хорошо известного местного анестетика, используемого в стоматологии. Лидокаин блокирует восприятие боли, подавляя активность нейрорецепторов, находящихся на специфических нервных клетках кожи, реагирующих на болевые раздражители и передающие сгенерированный сигнал дальше – в спинной мозг.

Химическая структура cisи trans
форм QAQ (a). (nature.com)

Белки-нейрорецепторы пронизывают наружную мембрану нервных клеток. Их изменяющие форму поры открываются в ответ на соответствующие раздражители и являются теми каналами, через которые электрически заряженные ионы проходят внутрь клетки или выходят из нее. Ионный канал, через который в клетку проходит лидокаиноподобный конец QAQ, реагирует на тепло, позволяя положительно заряженным ионам натрия проходить в клетки, экспрессирующие такие рецепторы. Это изменяет электрический мембранный потенциал, что в конечном итоге приводит к передаче нервных импульсов.

Ученые воспользовались способностью QAQ проникать в нервные клетки через эндогенные ионные каналы. Это очень важный момент, так как дальнейшие действия разворачиваются на внутренней поверхности таких каналов.

Похожий на лидокаин конец QAQ связывается с внутренней поверхностью канала, только если молекула находится в растянутой конформации. Облучение клеток 380-нанометровым светом изгибает азотный мостик, и передача сигнала реактивируется в течение нескольких миллисекунд. Воздействие света с длиной волны 500 нанометров возвращает молекулу к растянутой форме и восстанавливает ее тормозящее действие. Обезболивающий эффект «выключателя» подтвержден на животных моделях.

Группа профессора Траунера уже не один год работает над методами, с помощью которых важнейшими биологическими молекулярными машинами живого организма, такими как нейрорецепторы, можно управлять с помощью световых импульсов. Сами ученые считают свой новый метод в первую очередь инструментом для нейробиологических исследований, в частности, для изучения боли. До его терапевтического применения пока очень далеко. Прежде всего, монохроматический свет, используемый для изомеризации молекулы QAQ, не может проникать в кожу человека настолько глубоко, чтобы достичь чувствительных к боли нейронов. Но исследователи надеются решить эту проблему путем поиска альтернатив QAQ, способных реагировать на красный свет с большей длиной волны, способный более легко проходить через кожу.

Аннотация к статье Rapid optical control of nociception with an ion-channel photoswitch