Что такое нейротоксин простыми словами
Нейронокс (100 ЕД)
Инструкция
Торговое название
Международное непатентованное название
Лекарственная форма
Порошок лиофилизированный для приготовления раствора для инъекций 50 ЕД, 100 ЕД, 200 ЕД
Состав
активное вещество – комплекс ботулинического токсина типа А 50 ЕД*, 100 ЕД*, 200 ЕД*,
вспомогательные вещества: альбумин человеческий сывороточный, — натрия хлорид.
* — Одна единица действия активности соответствует рассчитанному среднему значению летальной дозы LD50 (определение проводят на мышах при внутрибрюшном введении).
Описание
Лиофилизированный порошок белого цвета.
Фармакотерапевтическая группа
Миорелаксанты. Миорелаксанты периферического действия другие. Ботулинический токсин.
Фармакологические свойства
Фармакокинетика
Фармакодинамика
Показания к применению
— эссенциальный блефароспазм у пациентов старше 18 лет
— эквинусная деформация стопы, вызванная спастичностью у детей с
церебральным параличом с 2-х летнего возраста
— глубокие глабеллярные (межбровные) морщины у взрослых до 65 лет
Способ применения и дозы
Эссенциальный блефароспазм у пациентов старше 18 лет
Эквинусная деформация стопы, вызванная спастичностью у детей с церебральным параличом с 2-х летнего возраста
После разведения (см. таблицу разведения) Нейронокс вводится при помощи иглы размером 26-30 G. Рекомендуется введение препарата в медиальную и латеральную головку икроножной мышцы. Рекомендуемая суммарная доза составляет 4 Ед/кг массы тела. Максимальная доза не должная превышать 200 Ед. У пациентов с диплегией суммарная доза составляет 6 Ед/кг массы тела, разделенная на две ноги. После введения препарата необходим контроль состояния пациента в течение 30 мин, на случаи проявления острых побочных эффектов. Клиническое улучшение наступает в течение 2-х недель после инъекции. Частота проведения курсов лечения индивидуальна для каждого пациента, но интервал между инъекциями не должен быть меньше 12 недель.
Глубокие глабеллярные (межбровные) морщины у взрослых до 65 лет
Во избежание осложнения, такого как опущение век (птоз), следует избегать введение препарата вблизи мышцы, поднимающее верхнее веко (levator palpebrae superioris), особенно у пациентов с большими мышцами корругаторами (m. сorrugator). При введении препарата в медиальную часть мышцы корругаторов и в середину между бровями необходимо отступить от надглазничного хребта не менее 1 см выше.
Нейронокс следует вводить с осторожностью во избежание попадания в кровеносный сосуд и возникновения кровоизлияния в подглазничной области. Для этого необходимо плотно прижать большим или указательным пальцем область нижнего орбитального края до введения иглы. Во время инъекции игла должна быть направлена вверх по направлению к центру и количество введенного препарата должно быть точным.
Правила приготовления раствора для инъекций
При разведении препарата не следует удалять пробку флакона, вводить растворитель необходимо путем прокола пробки стерильной иглой. В качестве растворителя используют 0,9% раствор натрия хлорида (см. таблицу разведения). После разведения препарат может храниться в холодильнике при температуре от 2 °С до 8 °С в течение 4 ч.
1. Таблица разведения Нейронокс 50 Ед
(0,9% раствора натрия хлорида)
2. Таблица разведения Нейронокс 100 Ед
(0,9% раствора натрия хлорида)
3. Таблица разведения Нейронокс 200 Ед
(0,9% раствора натрия хлорида)
Специальные указания по обработке остатков препарата
Сразу же после проведения инъекции оставшийся во флаконе или в шприце раствор следует инактивировать разбавленным раствором гипохлорита натрия (содержащим 1% активного хлора). Все вспомогательные материалы, находившиеся в контакте с препаратом, должны быть утилизированы в соответствии со стандартной больничной практикой.
Пролитый раствор Нейронокса следует вытереть абсорбирующей салфеткой, смоченной раствором гипохлорита натрия.
Побочные действия
Общие
— болезненность, подкожное кровоизлияние, отек, ощущение тепла в месте
— аритмия и инфаркт миокарда
Блефароспазм
— слабость лицевых мышц
— диплопия, сухость глаз, слезотечение
— парез лицевого нерва
— энтропион (заворот века)
— поверхностный точечный кератит
Эквинусная деформация стопы, вызванная спастичностью у детей с
церебральным параличом
— боль и слабость в конечностях, нарушение походки
— случайная травма вследствие падения*
— общая слабость, головная боль
— подкожное кровоизлияние в месте инъекции
— инфекции верхних дыхательных путей (назофарингит, бронхит),
пневмония, бронхиальная астма
Глабеллярные морщины
— болезненность, зуд, жжение и чувство жара в месте инъекции
Противопоказания
(например, миастения gravis, синдром Ламберта-Итона или боковой
амиотрофический склероз). Возможно обострение заболевания на фоне
миорелаксирующей активности препарата.
— нарушением свертываемости крови
— больные с спастической кривошеей, имеющие хронические дыхательные
— острые стадии инфекционных заболеваний
— одновременное применение Нейронокса и аминогликозидов или
— детский возраст до 2-х лет при лечении эквинусной деформации стопы
— детский и подростковый возраст до 18 лет при других показаниях
Лекарственные взаимодействия
Эффекты ботулотоксина могут быть потенцированы аминогликозидами или другими препаратами, которые влияют на нейро-мышечную трансмиссию, например, миорелаксанты типа тубокурарина. Противопоказано одновременное применение Нейронокса и аминогликозидов или спектиномицина. Пациентам, получающим Нейронокс, следует с осторожностью назначать полимиксины, тетрациклины и линкомицин. Эффект введения различных серотипов ботулинического нейротоксина одновременно или в течение нескольких месяцев не изучен. При введении ботулотоксина до исчезновения эффекта от предыдущей дозы может развиться выраженная мышечная слабость.
Нейронокс следует назначать с осторожностью в комбинации со следующими препаратами, в связи с тем, что может потенцироваться мышечная релаксация или повышаться риск развития дисфагии:
1) миорелаксантами (например, тубокурарина хлорида, дантролен натрия и т.д.);
2) препаратами с миорелаксирующим действием, например, спектиномицина гидрохлорида, аминогликозиды (гентамицина сульфат, неомицина сульфат и т.д.), полипептидные антибиотики (полимиксин В и т.п.), тетрациклины, линкомицины (линкозамиды), миорелаксанты (баклофен и т.п.), антихолинергические препараты (скополамина бутилбромид, трихексилфенидила гидрохлорида и т.п.), бензодиазепины и подобные им препараты (диазепам, этизолам и т.п.), препараты бензамида (тиаприда гидрохлорида, сульпирид и т.д.).
Особые указания
Так как активным компонентом данного препарата является токсин Clostridium botulinum типа A, который получают из Clostridium botulinum, то доза и частота введений Нейронокса должны подбираться с учетом всех мер предосторожности. Врач, назначающий препарат, должен понимать анатомические и/или нейро-мышечные взаимодействия пораженной области и учитывать возможные анатомические изменения при наличии в анамнезе хирургических вмешательств. При назначении препарата также требуется знание стандартных электромиографических методик. Не следует превышать рекомендуемые дозы и частоту введения Нейронокса.
Эффект распространения токсинов
При введении препарат может распространяться из области инъекции и вызывать симптомы характерные для ботулинического токсина, такие как: астения, общая мышечная слабость, двоение в глазах, ухудшение зрения, птоз, дисфагия, дисфония, дизартрия, недержание мочи и затруднение дыхания. Распространение Нейронокса из области инъекции на другие мышцы, участвующие в ходьбе и сохранении равновесия, может стать причиной аномальной походки и случайной травмы при падении. Риск возникновения данных симптомов наибольший у детей при лечении эквинусной деформации стопы, у взрослых данные симптомы также могут возникнуть и при лечении других заболеваний.
Серьезные аллергические реакции гиперчувствительности и/или реакции немедленного типа при применении Нейронокс и других препаратов ботулотоксина регистрировались редко. Эти реакции проявляются анафилаксией, крапивницей, отеком мягких тканей и одышкой. Был зарегистрирован один случай анафилаксии плода, при этом в качестве растворителя использовался лидокаин, в связи, с чем провоцирующий фактор определить сложно. При возникновении подобной реакции необходимо немедленно начать соответствующую медикаментозную терапию и отменить последующие инъекции препарата.
Нарушения иммунной системы
О каких-либо реакциях со стороны иммунной системы после местного введения комплекса ботулинического токсина типа А в рекомендуемых дозах не сообщалось. Образование антител к ботулиническому токсину отмечалось редко. Клинические признаки наличия нейтрализующих антител выражалось в значительном ухудшении реакции на проводимое лечение и в необходимости постоянного увеличения дозы.
Предшествующие нейро-мышечные заболевания
У пациентов с периферическими моторными нейропатиями (например, боковой амиотрофический склероз или моторная нейропатия) или нейро-мышечными заболеваниями (например, миастения gravis или синдром Ламберта-Итона) на фоне обычных доз ботулотоксина может повышаться риск развития клинически значимых системных эффектов, таких как тяжелая дисфагия и дыхательные нарушения. В медицинских публикациях относительно других препаратов ботулотоксина имеются данные о редких случаях развития выраженных системных эффектов на фоне обычных клинических доз препарата у пациентов с известными или не выявлявшимися ранее нейро-мышечными заболеваниями. В некоторых из этих случаев дисфагия сохранялась в течение нескольких месяцев, что требовало установки трубки для энтерального питания. ДисфагияДисфагия является частым нежелательным явлением при применении всех видов ботулотоксина у пациентов со спастической кривошеей. В редких случаях дисфагия достаточно выраженная, требующая установления трубки для энтерального питания. Так же зарегистрированы редкие случаи, когда вследствие дисфагии у пациентов развивалась аспирационная пневмония с летальным исходом.
Нарушение сердечно-сосудистой системы
Побочные реакции, связанные с нарушением сердечно-сосудистой системы на фоне инъекций ботулотоксина встречаются редко, они включают в себя аритмию и инфаркт миокарда, в отдельных случаях с летальным исходом. Необходимо отметить, что у некоторых из этих пациентов имелись факторы риска, в том числе сердечно-сосудистые заболевания.
Применение в педиатрии
Нейронокс может применяться у детей с церебральным параличом в возрасте старше 2-х лет для лечения эквинусной деформации стопы. При других показаниях безопасность и эффективность препарата не изучена.
Особенности влияния лекарственного средства на способность управлять транспортным средством или потенциально опасными механизмами
Особенности влияния препарата на способность управлять транспортным средством или потенциально опасными механизмами могут быть оценены после лечения.
Передозировка
Симптомы: нейромышечный паралич. Симптомы передозировки после инъекции могут проявиться не сразу, следовательно, необходимо наблюдение за пациентом в течение нескольких недель.
Лечение: При параличе дыхательных мышц необходимо проведение искусственного дыхания. Специфический антидот на препарат отсутствует. Введение антитоксина не эффективно. Лечение, как правило, направлено на общую поддерживающую терапию.
Форма выпуска и упаковка
По 50 ЕД, 100 ЕД или 200 ЕД препарата помещают в стеклянные бесцветные флаконы, укупоренные пробками резиновыми и обжатые алюминиевыми колпачками. На каждый флакон наклеивают этикетку.
1 флакон вместе с инструкцией по медицинскому применению на государственном и русском языках вкладывают в картонную коробку
Условия хранения
Хранить при температуре от 2 °С до 8 °С (для 200 ЕД).
Хранить в недоступном для детей месте!
Срок хранения
Не использовать по истечении срока годности.
Условия отпуска из аптек
Производитель
641-4 Gac-ri, Ochang-myeon,
Cheongwon-gun, Chungcheongbuk-do, 363-883,
Владелец регистрационного удостоверения
Medytox Inc., Республика Корея
Адрес организации, принимающей на территории Республики Казахстан претензии от потребителей по качеству продукции (товара)
Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов
Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов
Потенциал-чувствительный натриевый канал имеет форму диафрагмы фотоаппарата, где пóровая часть одного домена канала взаимодействует с потенциал-чувствительной частью другого домена. α-Нейротоксины, по-видимому, отражают это строение в своей модульной архитектуре.
Авторы
Редакторы
Биологическая эволюция — общая форма существования живой материи. При детальном рассмотрении оказывается, что виды почти никогда не эволюционируют поодиночке: обычно в этом принимают участие их экологические партнеры, и изменение происходит в парах паразит—хозяин или хищник—жертва. Более того, коэволюцию часто можно проследить на молекулярном уровне, когда один вид совершенствует систему нападения, а второй вслед за ним — систему защиты (и наоборот). Параллель с холодной войной здесь настолько очевидна, что соответствующий феномен даже получил название эволюционной «гонки вооружений». Примером наиболее эффективных и элегантных систем нападения служат животные яды, содержащие в своем составе нейротоксины — вещества, воздействующие на нервную систему и мышцы жертвы.
Несмотря на детальную проработку теории эволюции профессионалами и многочисленные примеры, вошедшие в учебники и популярную литературу [1], воплощение эволюционного процесса зачастую настолько причудливо, что исследование изменений в живых организмах может быть интересно далеко не только ученым-теоретикам. Известно, что у эволюции нет воли и цели: живые организмы меняются, чтобы оставить максимальное потомство, а не чтобы достигнуть абстрактного совершенства [2]. Так, эволюционно прогрессивным признаком считается то, что позволяет лучше приспособиться к окружающим условиям в данный момент, а не красота или сложность устройства сами по себе.
Например, антарктическая ледяная рыба утратила гены гемоглобина из-за того, что условия ее обитания — нулевая или даже отрицательная (!) температура воды, растворимость кислорода в которой достаточно высокая, чтобы обеспечивать ткани этим газом просто за счет диффузии и усиления кровотока. Можно сказать, что в этом случае рыба «экономит» на гемоглобине [3]. Другие рыбы, которые живут в пещерах и никогда не выплывают на белый свет или обитают на очень больших глубинах, почти всегда за ненадобностью теряют зрение. Степень упрощения паразитических организмов вообще поражает воображение, причем в случае бактерий это приводит к кардинальному упрощению всего генетического аппарата: например, геном микоплазмы содержит всего около 500 генов, а у облигатного внутриклеточного симбионта Candidatus Carsonella ruddii и вовсе около 180 генов [4]. И всё перечисленное — прогрессивные признаки, поскольку они позволили упомянутым организмам максимально адаптироваться к обстановке, в которой они обитают. Более известный (и более «благородный») пример — эволюция человека, где развитие пошло по пути усложнения нервной системы и способности к коммуникации, а также к становлению богатой культуры, современное состояние которой мы имеем удовольствие ежедневно наблюдать вокруг. Одновременно возросла роль полового отбора и образования семей [5], — и все это тоже проделки эволюции [6].
В нашей статье речь пойдет об особой разновидности эволюционного процесса, которую можно назвать «гонкой вооружений» и в которой участвуют две стороны: нападающая и обороняющаяся (или «догоняющая» и «убегающая»). Чрезвычайно любопытно наблюдать «гонку» на молекулярном уровне. Поскольку изменение одной стороны согласовано с изменением второй, то и гонку вооружений иногда можно довольно подробно проследить по «молекулярной летописи» процессов, происходящих внутри живых организмов.
Уроки холодной войны
Вторая половина XX века, кроме замечательных открытий в молекулярной биологии, была ознаменована холодной войной — глобальной конфронтацией между социалистическим и капиталистическим строями. Это противостояние породило эффект гонки вооружений — процесс борьбы за военное превосходство с положительной обратной связью, вызвавший гипертрофию военно-промышленных комплексов СССР и США.
Похожий эффект наблюдается и в процессе коэволюции двух видов, связанных друг с другом в системе «хищник—жертва» или «паразит—хозяин»: изменение одного из видов неизбежно влечет изменение второго для сохранения паритета или получения превосходства. Хорошо известный пример эволюционной гонки вооружений — газель и гепард, каждому из которых приходится бегать из поколения в поколение все быстрее и быстрее, чтобы одному ускользнуть из пасти, а другому — остаться сытому.
Эволюционная гонка вооружений, или принцип Черной королевы
Подчеркивая параллель с холодной войной, биологи ввели понятие эволюционной гонки вооружений (англ. evolutionary arms race), приписывая этому процессу роль важнейшей движущей силы эволюции [7]. Более строго это понятие сформулировано в форме «принципа Черной Королевы», утверждающего, что в коэволюционных отношениях каждому из видов приходится «бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (эта цитата из «Алисы в Зазеркалье» удачно передает суть принципа). Прямое экспериментальное подтверждение принципа Черной королевы получено на микроскопических рачках дафниях и их паразитических бактериях: «воскресив» из донного ила несколько поколений тех и других, биологи показали, что самые опасные для дафний паразиты — современные им, тогда как «прошлые» и «будущие» популяции бактерий заражали рачков с меньшей эффективностью [8].
Око за око, ген за ген
Хорошим примером эволюционной гонки вооружений являются растения с их паразитами. Во многих случаях наблюдается строгое соответствие системы устойчивости растения системе вирулентности его паразита. Более того, это соответствие сводится всего лишь к двум генам: гену растения, позволяющему противостоять заражению (гену резистентности, R) и гену паразита, необходимому для инфекции (гену авирулентности, Avr). Такие межвидовые отношения получили название «ген за ген» (англ. gene-for-gene) [9]. Растения, содержащие ген R, оказываются устойчивыми по отношению к паразитам с соответствующим геном Avr. Как правило, гены резистентности растений кодируют белки-рецепторы, регистрирующие появление паразита. Теперь паразит стремится изменить свой Avr-ген так, чтобы ускользнуть от узнавания рецептором растения. И наоборот, растение изменяет свой R-ген, чтобы по-прежнему детектировать заражение.
Вариация фаз
Одно из наиболее прогрессивных эволюционных приобретений высших позвоночных — развитая иммунная система, основанная на принципе комбинаторики и позволяющая противостоять практически любому чужеродному организму [10], [11]. Однако бактерии и вирусы на сдаются, им тоже есть что предъявить из своего арсенала. Хорошо известный пример — постоянно мутирующий вирус гриппа, к которому необходимо получать всё новые и новые вакцины [12]. Другой, не менее поразительный, пример — явление «смены фаз» у бактерий, заключающееся в случайном изменении фенотипа с высокой частотой, намного превышающей частоту обычных мутаций. Так, сальмонеллы используют этот прием для замены белка флагеллина, из которого построены бактериальные жгутики и который служит сигналом для запуска иммунологических реакций. Только у хозяина разовьется иммунный ответ, как сальмонелла меняет тип флагеллина и ускользает [13]!
Ядовитый арсенал
Пожалуй, самым эффективным средством как нападения, так и защиты служат яды, которые в процессе эволюции научились вырабатывать разнообразнейшие животные: многие кишечнополостные, членистоногие, моллюски, хордовые и другие (рис. 1). Присутствующие в ядах молекулы называют токсинами, а в том частном (но распространенном) случае, когда мишенью их действия служит нервная система и/или мышцы, — нейротоксинами.
Рисунок 1. Разнообразие ядовитых животных. На филогенетическом дереве многоклеточных отмечены типы животных, среди представителей которых встречаются ядовитые. Вокруг дерева расположены фотографии ядовитых животных (сверху — позвоночных, слева — членистоногих, слева внизу — иглокожих, справа вверху — моллюсков, справа внизу — губок, кишечнополостных и некоторых червей).
Состав яда животных различен: если, допустим, в яде пчелы присутствуют всего два основных компонента — мембраноактивный пептид мелиттин и гидролизующий липиды фермент фосфолипаза A2, — то в яде пауков, скорпионов, морских анемон и конусов, а также змей содержатся десятки, а иногда сотни или даже тысячи компонентов различной химической природы. Наблюдаемое в ядах разнообразие компонентов одного структурного типа сегодня принято описывать термином «эволюционно отредактированная комбинаторная библиотека» [14]. Эти молекулы обладают различной эффективностью и специфичностью в отношении разных рецепторов, а результирующая смесь токсинов эффективна в отношении широкого круга мишеней.
Эволюционное преимущество богатого арсенала — способность «следовать» за жертвой: если мишень действия основного компонента яда начнет ускользать (например, рецептор мутирует), в яде с большой вероятностью обнаружится слабо представленный, но более активный по отношению к новой форме рецептора токсин, и теперь уже ему суждено будет стать основой «вооружения» у будущих поколений ядовитых хищников.
«Всенепременнейше захватите телеграф!»
Каждый ПЧНК состоит из очень длинной полипептидной цепи (около двух тысяч остатков аминокислот), которая представлена четырьмя похожими повторами (рис. 2). При этом в пространстве канал составлен из пяти частей (или доменов). В образовании единственного порового домена (ПД) участвуют все повторы полипептидной цепи; в его центре формируется селективная для ионов Na + пора. Четыре — по одному от каждого повтора — потенциал-чувствительных домена (ПЧД) расположены вокруг центрального ПД [16]. Функция ПЧД — реагировать на изменение мембранного потенциала и передавать команду на открытие поры.
Рисунок 3. Некоторые природные нейротоксины, воздействующие на ПЧНК. Изображена модель пространственной организации канала; показан центральный ПД и два ПЧД (II и IV). Представлены фотографии ядовитых животных, служащих источником «классических» нейротоксинов. Тетродотоксин из рыбы фугу блокирует пору ПЧНК, связываясь с внеклеточной стороны. Батрахотоксин из кожи колумбийской лягушки проникает через мембрану и встраивается внутрь поры канала, вызывая его активацию. α-Токсины скорпионов связываются с ПЧД-IV и подавляют процесс естественной инактивации каналов. β-Токсины скорпионов связываются с ПЧД-II и активируют ПЧНК.
Но не все токсины блокируют канал: есть и такие, которые его активируют, то есть увеличивают время, когда канал находится в открытом состоянии. Примером таких молекул является батрахотоксин, содержащийся в секрете кожных желез некоторых Южноамериканских лягушек-листолазов. Распространенные инсектициды пиретроиды также относятся к активаторам ПЧНК.
α- и β-токсины из яда скорпионов представляют собой небольшие белки (
60—70 аминокислотных остатков), в структуре которых присутствует β-лист из трех тяжей и короткая α-спираль, скрепленные четырьмя дисульфидными связями (рис. 4). Хотя и те, и другие токсины, по сути, активируют канал, делают они это по-разному. α-Токсины мешают каналу закрыться, а β-токсины — помогают ему открыться. Соответственно и места взаимодействия с ПЧНК у этих токсинов разные: те и другие связываются с ПЧД, но для α-токсинов это ПЧД-IV, а для β-токсинов — ПЧД-II.
Рисунок 4. Модульная структура α-токсинов скорпионов. Эти токсины — небольшие белки, составленные из β-листа и α-спирали, скрепленных дисульфидными связями. Такая жесткая и эволюционно консервативная структура образует «сердцевину» молекулы, а две петли и C-конец образуют динамически подвижный «модуль специфичности» (показан пунктирным овалом), отличающийся у млеко- (слева) и инсектотоксинов (справа). Рисунок показывает результаты анализа характерных внутренних движений по данным молекулярной динамики. Цветной спектр конформаций изображает динамическую подвижность каждой из молекул.
Остановимся теперь подробнее на α-токсинах и их «взаимоотношениях» с ПЧНК. Дело в том, что в яде скорпионов присутствуют молекулы, обладающие токсическим действием по отношению к насекомым или млекопитающим (назовем соответствующие α-токсины инсектотоксинами и млекотоксинами). И те, и другие связываются с ПЧД-IV, но только у разных каналов. У насекомых это свой канал, называемый Para [18], а у млекопитающих есть целых девять разновидностей каналов, обозначаемых Nav1.1—1.9 [19]. Разные ПЧНК млекопитающих выполняют разные функции. Например, Nav1.2 характерен для центральной нервной системы, Nav1.4 — для скелетной мускулатуры, Nav1.5 — для сердца [20]. А дальше в ход идет упомянутая «комбинаторная библиотека» яда скорпионов, в которой может найтись молекула, активная по отношению к выбранной мишени. Если это происходит, «владелец» такого яда получает эволюционное преимущество по сравнению с другими, и та часть его генома, которая отвечает за состав ядовитой библиотеки, широко распространяется в будущих поколениях скорпионов.
Присутствующие в яде скорпионов нейротоксины отличаются разнообразием: некоторые из них могут быть направлены исключительно на каналы насекомых (инсектотоксины), тогда как другие действуют на каналы млекопитающих (млекотоксины). Есть также молекулы, действующие сразу и на те, и на другие ПЧНК. Что лежит в основе молекулярной эволюции этих токсинов, позволяющей им угнаться сразу за множеством ускользающих мишеней? Попробуем ответить на этот вопрос.
Компьютерный анализ выявляет «молекулярную гонку вооружений»
В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН было проведено исследование, направленное на выявление особенностей млеко- и инсектотоксинов из яда скорпионов, определяющих их селективное взаимодействие с соответствующими ПЧНК. Работа состояла из двух частей:
Компьютерное моделирование было основано на методе молекулярной динамики (МД) [21]. Установлено, что молекулы α-токсинов, несмотря на свой небольшой размер и жесткую структуру, состоят из двух динамических модулей. Анализ характерных движений показал, что один из этих модулей достаточно «жесткий», а другой конформационно «пластичный». Более того, движения «пластичного» модуля различаются у млеко- и инсектотоксинов (рис. 4).
Идентифицированные с помощью МД части молекул получили название «сердцевины» и «модуля специфичности». Сердцевина α-токсинов оказывается эволюционно консервативным (очень сходно устроенным у инсекто- и млекотоксинов), а модуль специфичности — вариабельным, соответствующим конкретной мишени действия. Сердцевина, таким образом, отвечает за распознавание ПЧНК «вообще», а быстро изменяющийся в эволюции модуль специфичности позволяет токсину «настраиваться» на конкретный тип канала.
Было также обнаружено, что модуль специфичности млекотоксинов существенно более гидрофильный, чем у инсектотоксинов. Эта особенность, предположительно, отражает структурные детерминанты, позволяющие токсинам селективно распознавать свои мишени. Что интересно, анализ свойств ПЧНК показал ту же тенденцию для внеклеточной части S5—S6 повтора I: у каналов млекопитающих эти области более гидрофильны, а у каналов насекомых — гидрофобны. Сопоставление результатов анализа с накопленными биохимическими данными позволило предложить любопытный характер связывания α-токсинов с ПЧНК. Сердцевинный модуль, по-видимому, взаимодействует с ПЧД-IV, в то время как модуль специфичности связывается с петлей S5—S6 повтора I. Интересно, что данные области в структуре ПЧНК сближены, что также было показано в независимых экспериментах. Идея соответствия модульной организации токсинов доменной структуре каналов имеет интересный эволюционный смысл, позволяющий нам разглядеть гонку вооружений в противостоянии ядовитых животных и их жертв. Модульная структура предположительно позволяет токсинам гибко адаптироваться к изменяющейся мишени.
Компьютерный анализ может быть использован для предсказания активности токсинов с неизученными свойствами. В частности, для токсина M9 из яда Среднеазиатского скорпиона Mesobuthus eupeus, ставшего первым α-нейротоксином из скорпионьего яда, для которого была установлена пространственная структура (кстати, это тоже было сделано в ИБХ [22]), была предсказана активность в отношении каналов как млекопитающих, так и насекомых. Биоинженерный синтез и тестирование активности этого токсина на рекомбинантных ПЧНК подтвердили высказанное предположение. Результаты представленной работы были опубликованы в журнале Journal of Biological Chemistry [23]. Эволюционное обособление модулей α-токсинов, похоже, вызвано требованиями гонки вооружений — необходимостью оперативно адаптироваться вслед за изменяющимися условиями среды: появлением новых мишеней и изменением старых. Вряд ли этот подход является универсальным, но в данном случае он позволил с новой стороны взглянуть на взаимосвязь структура—функция для биологически активных пептидов.
Биоинженерия и нейробиология
Исследования молекулярных основ эволюционной гонки вооружений имеет не только фундаментальное значение. Например, заново созданные «дизайнерские» молекулы — аналоги нейротоксинов с заданной исследователями активностью — являются идеальными инструментами исследования нервной системы. Такие молекулы позволили бы прицельно регулировать работу ионных каналов и модифицировать нервный ответ желаемым образом.
Придание нейротоксинам желаемой селективности и видоспецифичности позволит, например, создать инсектицид нового поколения. Биоинженерно изготовленный или даже внедренный в геном растений инсектотоксин позволит эффективно бороться с насекомыми-вредителями. А можно представить себе возможность создания идеально селективного инсектотоксина, действующего на вредителей и не токсичного для полезных насекомых (например, пчел).
Наконец, идеально селективные нейротоксины — уже не яды, а точно настраиваемые нейрорегуляторы — нашли бы применение в молекулярной медицине для лечения заболеваний, связанных с дисфункцией ионных каналов и называемых каналопатиями. Среди них — различные неврологические и психические расстройства, а также к патологии скелетной и сердечной мускулатуры [24].
Статья поддержана грантом РФФИ д_с-13-04-11520 и первоначально опубликована в «Науке и жизни» [25]. См. также видеозапись «ядовитого» семинара, организованного Советом молодых ученых ИБХ РАН осенью 2013 года.
Видео 1. Доклад А.А. Василевского «Что-то. про паучков», сделанный на «ядовитом» семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН осенью 2013 года. В этом докладе также рассказывается о непростых взаимоотношениях нейротоксинов с их молекулярными мишенями.