Новое исследование Scripps Research, опубликованное в четверг вечером в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), решает эту давнюю медицинскую загадку. Используя современные наноразмерные микроскопические методы, а также умные эксперименты на живых клетках и плодовых мушках, ученые показывают, как скопления липидов в клеточной мембране служат недостающим посредником в двухчастном механизме.
Временное воздействие анестезии заставляет липидные кластеры переходить из упорядоченного состояния в неупорядоченное, а затем обратно, что приводит к множеству последующих эффектов, которые в конечном итоге вызывают изменения в сознании.
Открытие химика Ричарда Лернера, доктора медицины, и молекулярного биолога Скотта Хансена, доктора философии, положило конец вековой научной дискуссии, которая продолжается до сих пор: действуют ли анестетики непосредственно на ворота клеточной мембраны, называемые ионными каналами, или они каким-то образом действуют на мембрана, чтобы сигнализировать об изменениях клеток новым и неожиданным образом?
Потребовалось почти пять лет экспериментов, звонков, дебатов и испытаний, чтобы прийти к выводу, что это двухэтапный процесс, который начинается в мембране, говорят дуэт. Анестетики возмущают упорядоченные липидные кластеры внутри клеточной мембраны, известные как «липидные рафты», чтобы инициировать сигнал.
«Мы думаем, что нет никаких сомнений в том, что этот новый путь используется для других функций мозга, выходящих за рамки сознания, что позволяет нам теперь раскрыть дополнительные загадки мозга», – говорит Лернер.
Лернер, член Национальной академии наук, бывший президент Scripps Research и основатель кампуса Scripps Research в Юпитере, Флорида. Хансен – адъюнкт-профессор, в своей первой должности в том же кампусе.
Эфирный купол
Способность эфира вызывать потерю сознания была впервые продемонстрирована на пациенте с опухолью в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне в 1846 году в хирургическом театре, который позже стал известен как «Купол эфира».«Процедура была настолько последовательной, что она была запечатлена на знаменитой картине Роберта К.« Первая операция под эфиром ». Хинкли.
К 1899 году немецкий фармаколог Ганс Хорст Мейер, а затем в 1901 году британский биолог Чарльз Эрнест Овертон сделали мудрый вывод, что растворимость липидов определяет эффективность таких анестетиков.
Хансен вспоминает, как обратился к поиску в Google при составлении заявки на грант для дальнейшего исследования этого исторического вопроса, думая, что он не может быть единственным, кто убежден в роли мембранных липидных рафтов.
К удовольствию Хансена, он нашел фигуру из статьи Лернера 1997 года PNAS «Гипотеза об эндогенном аналоге общей анестезии», которая предлагала именно такой механизм. Хансен долго смотрел на Лернера – в буквальном смысле.
Будучи докторантом в Сан-Диего, Хансен говорит, что работал в подвальной лаборатории с окном, выходившим прямо на парковочное место Лернера в Scripps Research.
"Я связался с ним и сказал: ‘Ты никогда не поверишь этому.
Ваша цифра 1997 года интуитивно описывала то, что я сейчас вижу в наших данных », – вспоминает Хансен. "Это было блестяще."
Для Лернера это тоже был волнующий момент.
«Это дедушка медицинских загадок», – говорит Лернер. "Когда я учился в медицинской школе в Стэнфорде, это была единственная проблема, которую я хотел решить. Анестезия имела такое практическое значение, что я не мог поверить, что мы не знаем, как все эти анестетики могут вызывать потерю сознания."
Многие другие ученые в течение столетия экспериментов искали те же ответы, но им не хватало нескольких ключевых элементов, говорит Хансен: во-первых, микроскопы, способные визуализировать биологические комплексы, меньшие, чем дифракционные пределы света, и, во-вторых, недавнее понимание природы клеточных мембран, а также сложную организацию и функцию богатого разнообразия липидных комплексов, которые их составляют.
«Они искали в море липидов, и сигнал был размытым, они просто не видели его, в значительной степени из-за отсутствия технологий», – говорит Хансен.
От порядка к беспорядку
Используя получившую Нобелевскую премию микроскопическую технологию, в частности микроскоп под названием dSTORM, сокращенно от «микроскопии прямой стохастической оптической реконструкции», научный сотрудник лаборатории Хансена омыл клетки хлороформом и наблюдал что-то вроде первого перерыва в игре в бильярд.
Хансен объясняет, что воздействие на клетки хлороформа сильно увеличивает диаметр и площадь липидных кластеров клеточной мембраны, называемых GM1.
По словам Хансена, он смотрел на сдвиг в организации кластера GM1, переход от плотно упакованного шара к нарушенному беспорядку. По мере того, как он становился беспорядочным, GM1 разлил свое содержимое, в том числе фермент, называемый фосфолипазой D2 (PLD2).
Помечив PLD2 флуоресцентным химическим веществом, Хансен смог наблюдать в микроскоп dSTORM, как PLD2, как бильярдный шар, двигался от своего дома GM1 к другому, менее предпочтительному липидному кластеру под названием PIP2.
Это активировало ключевые молекулы в кластерах PIP2, в том числе каналы ионов калия TREK1 и их липидный активатор, фосфатидную кислоту (PA). По словам Хансена, активация TREK1 в основном блокирует способность нейронов активироваться и, таким образом, приводит к потере сознания.
«Калиевые каналы TREK1 выделяют калий, который гиперполяризует нерв – это затрудняет запуск – и просто отключает его», – говорит Хансен.
Лернер настоял на том, чтобы они подтвердили результаты на модели живых животных.
Обыкновенная плодовая муха, drosophila melanogaster, предоставила эти данные. Удаление экспрессии PLD у мух сделало их устойчивыми к эффектам седативного эффекта. Фактически, им потребовалось двойное воздействие анестетика, чтобы продемонстрировать тот же ответ.
«Все мухи в конечном итоге потеряли сознание, предполагая, что PLD помогает установить порог, но не является единственным путем, контролирующим чувствительность к анестетикам», – пишут они.
Хансен и Лернер говорят, что эти открытия открывают множество дразнящих новых возможностей, которые могут объяснить другие загадки мозга, включая молекулярные события, которые приводят нас к засыпанию.
Первоначальная гипотеза Лернера 1997 года о роли «липидных матриц» в передаче сигналов возникла в результате его исследований биохимии сна и его открытия снотворного липида, который он назвал олеамидом. Сотрудничество Хансена и Лернера на этой арене продолжается.
«Мы считаем, что это фундаментальный и фундаментальный вопрос, но предстоит еще много работы, и это должны сделать многие люди», – говорит Хансен. Лернер соглашается.
«Люди начнут изучать это на предмет всего, что вы можете вообразить: сна, сознания, всех связанных с этим расстройств», – говорит он. "Эфир был даром, который помогает нам понять проблему сознания. Он пролил свет на до сих пор неизвестный путь, по которому мозг явно эволюционировал, чтобы контролировать функции высшего порядка."