CC BY
241
ИССЛЕДОВАНИЯ
НОВЫЙ класс
МИТОХОНДРИАЛЬНО-АДРЕСОВАННЫХ
АНТИОКСИДАНТОВ
И.И.Сенин1’2, А.А. Замятин (мл)3 и М.В.Скулачев2
1 - Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского
МГУ имени М.В.Ломоносова
2 - Научно-исследовательский институт митоинженерии МГУ имени М.В. Ломоносова
3 - ООО «Митотех»
Мы продолжаем цикл публикаций, начатый в №1-2011 журнала VetPharma и посвященный лечению ГПАС (генерализованная прогрессирующая атрофия сетчатки) у собак.
Результатом более чем полувековых научных исследований в МГУ им. Ломоносова явилась разработка лекарственной формы - глазных капель на основе «ионов Скулачева», - синтезированного SkQ1’ митохондриальнонаправленного антиоксиданта.
В материале доктора ветеринарных наук Л.Ф. Сотниковой и соавторов представлены результаты исследований эффективности глазных капель на основе «ионов Скулачева», проведенные в МГАВМиБ им. К.И. Скрябина.
Кислород является одним из самых важных химических элементов для всех живых организмов на земле. Необходимость в кислороде заложена собственно в особенности, присущей всем живым организмам -способности к обеспечению себя энергией за счет использования внешних энергетических ресурсов
[1]. Функцию выработки энергии в клетке несут специальные клеточные органеллы, называемые митохондриями. Митохондрии обладают сложной ферментативной системой, позволяющей им осуществлять важнейшую для клетки функцию, - синтез энергетической валюты организма аденозинтрифосфата (АТФ) путем окисления кислородом поступающих в организм органических соединений [2]. В процессе синтеза АТФ в
митохондриях кислород вступает в последовательный ряд химических реакций и, в конечном итоге, восстанавливается до воды (Н20) путем присоединения к молекуле кислорода (02) четырех электронов и четырех ионов водорода (02+ 4е- + 4Н+ = = 2Н20). Эта сложная реакция катализируется специальными белками-ферментами, заключенными в митохондриях. При этом незначительное его количество (от 0,1 до 2 %) превращается митохондриями в активные формы кислорода (АФК), предшественником которых является супероксидный ион О2-[1]. В норме эти небольшие количества АФК могут играть важную роль в жизни организмов (в частности, защищать от инфекций), а их излишек удаляется с помощью системы
антиоксидантной защиты митохондрий [3].
С возрастом, а также при целом ряде заболеваний нарушается баланс между антиоксидантной защитой организма и образованием АФК в пользу последнего, что приводит к окислительному стрессу. Чтобы понять все коварство окислительного стресса, достаточно обратиться к одному яркому примеру из жизни. Все мы знаем, что происходит с железом при его длительном контакте с кислородом: сначала поверхность, а потом и весь металл превращается в ржавчину. Можно представить, если такой прочный металл как железо сдает свои позиции перед окислением, то, что происходит с тканями организма в условиях окислительного стресса. Накопле-
ние в организме АФК вызывает необратимое повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов в составе мембран клеток. Особенно страшны последствия воздействия окислительного стресса на мембраны митохондрий - это прямой путь к гибели клеток тканей организма [1,3].
В настоящее время установлено, что одну из ведущих ролей в патогенезе ретинодистрофии, глаукомы, увеита и некоторых других патологий зрения у животных играет окислительный стресс, возникающий в результате нарушения работы митохондрий [4]. Показано, что первостепенной и главной мишенью для свободных радикалов при развитии этих заболеваний является внутренняя мембрана этих органелл. Окислительное повреждение митохондриальных ДНК (мтДНК) происходит уже на ранних стадиях развития заболеваний. мтДНК более уязвимы для окислительного повреждения, чем ядерные ДНК по нескольким причинам: 1) они находятся в непосредственной близости к АФК, производимым в митохондриях и 2)они не защищены гистонами и другими ДНК-ассоциированными белками. И хотя митохондрии имеют системы репарации, они оказываются неэф-
фективными. Одним из важнейших событий, сопровождающих развитие многих патологий зрения, является индукция экспрессии в митохондриях NO-синтазы, что приводит к увеличению секреции в митохон-
дриях оксида азота (N0), который легко диффундирует в окружающие ткани. При одновременном усилении окислительного стресса внутри митохондрий создаются условия для синтеза весьма агрессивной молекулы - пероксинитрита (00N0-), который диффундирует вдоль сетчатки, также вызывая гибель клеток тканей глаза и способствуя развитию слепоты у животных [5]. Применяемые в настоящее время в офтальмологической практике антиоксиданты не способны проникать внутрь митохондрий и, следовательно, защищать органеллы от окислительного стресса. В связи с этим, наибольшая эффективность и биодоступность препаратов с антиокси-дантными свойствами может быть
достигнута за счет внедрения механизмов их адресной доставки в целевые субклеточные структуры, а именно в митохондрии.
Каким должен быть антиоксидант, который сможет защищать митохон-
дрии от окислительного стресса? Во-первых, препарат должен иметь способность проникать и накапливаться именно в митохондриях. Во-вторых, он должен быть безопасным, так как, взаимодействуя с АФК, молекулы антиоксиданта сами становятся радикалами; соответственно, в клетке должен существовать надежный способ немедленной их нейтрализации, желательно с восстановлением антиоксиданта в его изначальном виде. В-третьих, все антиоксиданты обладают проок-сидантным эффектом при повышении дозы, ограничивающей возможность их применения, т.е. они должны обладать высокой эффективностью в наиболее низких дозах. Наконец, традиционные антиокси-
С возрастом, а также при целом ряде заболеваний нарушается баланс между антиоксидантной защитой организма и образованием АФК в пользу последнего, что приводит к окислительному стрессу
Рисунок. Механизм действия митохондриально-направленных антиоксидантов
ЭФФЕКТИВНАЯ ФАРМАКОТЕРАПИЯ В ВЕТЕРИНАРИИ
21
данты, даже если они могут оказаться в митохондриальной мембране наряду с другими мембранами клетки, представляют собой природные вещества, избыток которых может быть расщеплен клеточными ферментами.
Несмотря на всю сложность проблемы, нам удалось разработать инновационный класс митохондриально-направленных антиоксидантов, представляющих собой наноча-
стицы, в состав которых входят векторная молекула, способная транслоцироваться в митохондрии, и молекула антиоксиданта [6].
Как это удалось сделать? Основная отличительная особенность митохондрий от других органелл - это наличие на их внутренней мембране разницы электрических потенциалов с минусом внутри органелл. Эту особенность митохондрий можно использовать для адресного накопления веществ в митохондриях. На рубеже 60-70-х годов прошлого века, группа советских ученых обнаружила, что некоторые соединения -липофильные катионы (например, ион фосфония), способны адресно проникать в митохондрии живой клетки. В таких соединениях положительно заряженный атом окружен гидрофобными остатками. Заряд в таких ионах равномерно распределен по большому объему, окружающему центральный атом. Такая конструкция препятствует гидратации иона, представляющей основную причину непроницаемости мембран для заряженных молекул и может быть использована для накопления в митохондриях незаряженных веществ, присоединенных к этим катионам. Используя эти экспериментальные данные, нам удалось получить подтверждения воз-
можности реализации этого подхода на практике. Оказалось, что синтезированный нами митохондриальнонаправленный антиоксидант SkQ1, представляющий собой ковалентносвязанную транспортную составляющую липофильный катион три-фенилфосфоний и антиоксидант пластохинон, легко проникает через мембраны клеток и митохондрий и избирательно накапливается в митохондриях внутри живых клеток. По
нашим расчетам, концентрация SkQ1 внутри митохондрий превышает его концентрацию во внеклеточной среде в 2 108 раз, что может позволить достижение необходимого терапевтического эффекта при минимальных дозах (см. рисунок).
В 2005-2009 годах были получены многообещающие результаты в ходе экспериментов по профилактике и лечению ретинодистрофии, глаукомы и увеита с помощью SkQ1 в модельных системах на экспериментальных животных [7]. Исходя из полученных результатов, разработана лекарственная форма на основе SkQ1 - глазные капли на основе «ионов Скулачева».
В настоящем номере журнала VetPharma в работе доктора ветеринарных наук Л.Ф.Сотниковой и соавторов представлены результаты исследований эффективности глазных капель на основе «ионов Скула-чева» в лечении одной из самых трудно поддающейся лечению патологии зрения у животных - генерализованной прогрессирующей атрофии сетчатки.■
Литература
[1] Скулачев В.П. «Кислород в живой клетке: добро и зло». Соросовский образовательный журнал (1996). т.3(3):4-10.
[2] Скулачев В.П. «Мембранные преоб-
разователи энергии». М.: Высшая школа, 1989.
[3] Скулачев В.П. «Явление запрограммированной смерти. Митохондрии, клетки и органы: роль активных форм кислорода». Соросовский образовательный журнал (2001). т.7(6): 4-10.
[4] Skulachev V.P., Anisimov V.N., Antonenko Y.N., Bakeeva L.E., Chernyak B.V., Erichev V.P., Filenko O.F., Kalinina N.I., Kapelko V.I., Kolosova N.G., Kopnin B.P., Korshunova G.A., Lichinitser M.R., Obukhova L.A., Pasyukova E.G., Pisarenko O.I., Roginsky V.A., Ruuge E.K., Senin I.I., Seve-rina I.I., Skulachev M.V., Spivak I.M., Tash-litsky V.N., Tkachuk V.A., Vyssokikh M.Y., Yaguzhinsky L.S., Zorov D.B. An attempt to prevent senescence: a mitochon-drial approach. Biochim. Biophys. Acta (2009) 1787, 437-461.
[5] Семесько С. Г. «Значение оксида азота и пероксинитрита в патогенезе увеита». Вестник офтальмологии (2005) 6: 49-52.
[6] Антоненко Ю.Н., Аветисян А.В., Бакеева Л.Е., Черняк Б.В., Чертков В.А., Домнина Л.В., Иванова О.Ю., Изюмов Д.С., Хайлова Л.С., Коршунова Г.А., Лям-заев К.Г., Мунтян М.С., Непряхина О.К., Пашковская А.А., Плетюшкина О.Ю., Пу-стовидкоА.В., Рогинский В.А., Рокитская Т.И., Рууге Э.К., Сапрунова В.Б., Северина И.И., Симонян Р.А., Скулачев И.В., Скулачев М.В., Сумбатян Н.В., Свиряева И.В., Ташлитский В.Н., Васильев Ю.М., Высоких М.Ю., Ягужинский Л.С., Замят-нин А.А., Скулачев В.П. «Производное пластохинона, адресованное с митохондрии, как средство, прерывающее программу старения. 1. Катионные производные пластохинона: синтез и исследование in vitro». Биохимия (2008) 73, 1587-1604.
[7] Нероев В.В., Архипова М.М., Бакеева Л.Е., Фурсова А.Ж., Григорян Э.Н., Гришанова А.Ю., Иомдина Е.Н., Иващенко Ж.Н., Катаргина Л.А., Хорошилова-Маслова И.П., Килина О.В., Колосова Н.Г., Копенкин Е.П., Коршунов С.С., Ковалева Н.А., Новикова Ю.П., Филиппов П.П., Пилипенко Д.И., Робустова О.В., Сапрунова В.Б., Сенин И.И., Скулачев М.В., Сотникова Л.Ф., Стефанова Н.А., Тихомирова Н.К., Цапенко И.В., Щипанова А.И., Зиновкин Р.А., Скулачев В.П. «Производное пластохинона, адресованное в митохондрии, как средство, прерывающее программу старения. 4. Связанные с возрастом заболевания глаз. SkQ возвращает зрение». Биохимия (2008) 73, 1641-1654.
...все антиоксиданты обладают прооксидантным эффектом при повышении дозы, ограничивающей возможность их применения, т.е. они должны обладать высокой эффективностью в наиболее низких дозах
