Перепелиная слепота
Что общего между японским перепелом Coturnix japonica и
человеком? В глазах этой небольшой молчаливой птички (ее еще называют «немой
перепел») с возрастом происходят примерно те же биохимические изменения, что и у
нас.
Желтое пятно
Почему с годами мы начинаем хуже видеть? Важнейшая часть глаза — сетчатка; это
многослойная структура, расположенная с внутренней стороны задней части глазного
яблока. На ней находятся фоторецепторные клетки, которые воспринимают
изображение, а от них сигнал по нервным волокнам уходит в мозг. Каждый слой
сетчатки (их около десяти) состоит из специализированных клеток, выполняющих
различные функции. Наружный слой — пигментный эпителий (рис. 1). Он обеспечивает
питательными веществами фоторецепторы — палочки и колбочки, на которые свет
попадает, пройдя через хрусталик, стекловидное тело и внутренние слои сетчатки.
С другой стороны пигментный эпителий отделен от сосудистой оболочки глаза так
называемой мембраной Бруха.
Центральная часть сетчатки, она же макулярная область, или желтое пятно, — самая
важная. Она отвечает за остроту зрения и восприятие цвета, поскольку там
расположены колбочки, от которых зависит цветовое зрение (палочки же
располагаются на периферической части сетчатки). Эта центральная часть имеет
микроскопические размеры (диаметр 5 мм, толщина 0,2 мм). К тому же человек
стареет медленно. Наблюдать более 50 лет статистически значимую группу людей,
фиксируя возрастные изменения на клеточном уровне в небольшом участке сетчатки,
— непростая задача.

Рис 1. Сетчатка, расположенная на
задней стороне глазного яблока,
состоит из нескольких слоев
|
Как всегда, исследователей выручают экспериментальные животные. Мыши, крысы и
кролики, увы, для данной конкретной задачи не подходят. У них по-другому стареют
глаза и нет механизма защиты от возрастных повреждений, свойственного человеку.
Зато у японского перепела, живущего около полутора лет, к году в сетчатке
проявляются характерные симптомы старения, которые у человека видны только к
70—80 годам.
Японского перепела биологи любят. Эта маленькая птичка, весом лишь 150 г,
одомашненная в Японии в конце XIX — начале XX века, — в настоящее время основная
порода на перепелиных фермах. Японские перепела менее драчливы и крикливы, чем
обычные, а потому их удобно разводить. Генетики исследуют проявления различных
мутаций у перепела и на нем же изучают многие глазные заболевания, например
глаукому, альбинизм, световое повреждение сетчатки и некоторые другие. Сейчас
пытаются даже вывести такую породу перепелов, у которых глазные заболевания
развиваются ускоренными темпами.
Так где именно происходят поломки? С возрастом изменяются прозрачность и спектр
пропускания хрусталика, но, кроме того, происходят изменения и в сетчатке. Какие
именно, стало понятно около 15 лет назад. Во-первых, в желтом пятне постепенно
гибнут фоторецепторные клетки (колбочки). Противостоят этому апоптозу
антиоксидантные системы защиты, о которых расскажем ниже. Во-вторых, в клетках
пигментного эпителия (ответственного за питание колбочек) накапливаются
фототоксичные соединения и хуже начинают работать системы защиты от них.
В-третьих, нарушается проводимость мембраны Бруха, отделяющей пигментный
эпителий от сосудистой оболочки глаза. В этой мембране образуются так называемые
друзы, которые нарушают контакт между пигментным эпителием и сосудистой
оболочкой, а следовательно, мешают транспортировке необходимых веществ и создают
локальную гипоксию тканей.
Плохой хороший витамина А

Рис 2. Липофусциновые гранулы, которые
образуются в пигментном эпителии. Слева – у
человека к 60 годам, справа – у перепела к
одному году жизни |
Заметнее всего старение сетчатки человека проявляется в том, что в клетках
пигментного эпителия накапливаются липофусциновые гранулы (рис. 2), о наличии
которых судят по аутофлюоресценции глазного дна. (Сетчатку облучают видимым
светом и регистрируют ее собственное излучение при длине волны 488 нм (граница
синего и голубого света). Основной источник аутофлюоресценции - липофусцин.)
Липофусциновые гранулы — сложные образования липидно-белковой природы, которые
формируются из клеточного «шлака» — остатков наружных сегментов фоторецепторов.
Их долго считали безопасным побочным продуктом жизнедеятельности клеток, но в
начале 90-х годов XX века оказалось, что эти гранулы под действием света могут
генерировать активные формы кислорода, которые, в свою очередь, повреждают и
убивают клетки пигментного эпителия. Исследования последних лет доказали, что
существует прямая связь между накоплением гранул в пигментном эпителии и
некоторыми глазными заболеваниями, например старческой макулярной дегенерацией
сетчатки (основная причина слепоты у пожилых людей), болезнью Штаргардта и
другими.
Липофусциновые гранулы образуются в течение всей жизни. У человека за первые
десять лет жизни их становится вдвое больше, а максимальное количество
накапливается примерно к 60 годам. Исследователи считают, что в детстве процесс
идет ускоренными темпами, поскольку детские хрусталики слишком прозрачны для
повреждающего синего цвета. (Поэтому детям обязательно нужны солнцезащитные
очки.)
У перепела эти же процессы происходят быстрее и интенсивнее: клетки пигментного
эпителия насыщаются гранулами всего за год-полтора, при этом количество
липофусцина в них увеличивается до 20 раз. Эксперименты показали, что чем больше
света, тем больше гранул образуется. Например, если самок всего два раза по 18
часов подержать при избыточном свете (в четырехмесячном и годовалом возрасте),
то через полтора месяца количество гранул в центральной зоне сетчатки вырастет
на 30%. Почему-то у самцов такой сильной зависимости от освещенности нет. Возможно,
у пожилых самок падает активность ферментов — соответственно появляется избыток
«клеточного шлака», из которого образуются липофусциновые гранулы.
Эти гранулы опасны вдвойне. Во-первых, они переполняют жизненное пространство
клеток пигментного эпителия. Во-вторых, они содержат токсичные производные
ретиналя (витамина А). Под действием света эти производные могут генерировать
свободные радикалы, с легкостью окисляющие многие органические соединения.
Свободные радикалы вызывают цепную реакцию, в результате образуется еще больше
радикалов, способных вступать в дальнейшие реакции. Если нет веществ, которые
«гасят» эти радикалы (ими как раз служат антиоксиданты), то клетка гибнет.
Самые токсичные и наиболее подробно исследованные ретиноиды — это димеры
ретиналя, такие как А2Е или N-ретинил-N-ретинилиденэтаноламин, изо-А2Е, а также
их окисленные эпоксиформы. Под действием света они могут высвобождаться из
липофусциновых гранул и после этого оказываются прямо в цитоплазме клеток
пигментного эпителия. Изомеры А2Е становятся токсичными под действием синего
света, а их эпоксиформы токсичны сами по себе, но могут еще дополнительно
возбуждаться ультрафиолетовой областью спектра.
У взрослого человека чувствительность эпоксиформ А2Е культрафиолету не
представляет реальной опасности для сетчатки, поскольку хрусталик глаза хорошо
поглощает это излучение. Однако хрусталики детских глаз частично пропускают
ультрафиолет, и для них этот вид димеров может быть небезопасен. Это еще
предстоит уточнить в дополнительных экспериментах на японских перепелах — их
роговица, хрусталик и стекловидное тело полностью пропускают ультрафиолетовый
диапазон от 320 нм, поэтому маленькие птички могут быть адекватной моделью для
исследований детских болезней, вызванных излишним освещением.

Рис 3. Хроматограммы липофусциновых
гранул, сверху – у перепела,
снизу – у человека |
Что же касается опасных ретиноидов, то у перепела они примерно такие же по составу
(рис. 3) и их почти столько же (в относительных количествах), сколько у
человека. Здесь существует обширное поле для исследований: помимо известных
димеров ретиналя, в пигментном эпителии человека и перепела есть еще около
десятка похожих, но еще не идентифицированных ретиноидов, с неизвестным уровнем
токсичности.
К сожалению, производные ретиналя — не единственная проблема. По мере старения у
человека и у перепела в два раза утолщается мембрана Бруха (прозрачная мембрана,
которая отделяет сетчатку от сосудистой оболочки глаза). В толще этой мембраны,
главным образом в центральной области сетчатки, появляются включения, мешающие
нормальному обмену веществ между сосудистой оболочкой и пигментным эпителием.
Затем, как уже упоминалось, на поверхности мембраны образуются друзы (рис. 4),
выступающие в пигментный эпителий и нарушающие транспорт между ним и капиллярами
сосудистой оболочки. Похоже, что образование друз — самостоятельный процесс, не
связанный с накоплением липофусцина. Например, у самцов перепелов больше
образуются друзы, в то время как у самок в основном накапливаются липофусциновые
гранулы.

Рис 4. Друзы, которые нарушают транспорт
между сосудистой оболочкой
и пигментным эпителием |
Предполагается, что возрастные изменения в мембране Бруха и друзы — предпосылка
для нарастающей гипоксии клеток пигментного эпителия, которая приводит к
образованию макулярных дыр — дефекты структуры в центральной части сетчатки.
Возможно, еще одно следствие недостатка кислорода и питательных веществ —
образование новых капилляров, которые встают на пути между зрительным образом и
сетчаткой.
Система защиты
В сетчатке и пигментном эпителии есть два вида защиты от повреждающего света и
свободных радикалов. Практически тот же набор защищает и глаза перепела от
избыточного света. В первую очередь это меланин, который располагается в
отростках клеток пигментного эпителия и защищает их от света (рис. 5). Надо
сказать, что у всех позвоночных животных меланин — важнейший фактор,
поддерживающий деятельность пигментного эпителия. Он выполняет в глазу две
функции: работает как светофильтр, ослабляя интенсивность света, попадающего на
нижележащие клетки, и он же выступает в роли мощного антиоксиданта, «гася»
запущенные светом свободнорадикальные реакции.

Рис 5. Меланин на отростках клеток
пигментного эпителия |
С возрастом количество меланина в пигментном эпителии и человека, и
перепела уменьшается. У человека к70 годам (ау перепела к полутора) меланина в
пигментном эпителии становится в три раза меньше, а к 90 годам — в четыре.
Кстати, у животных-альбиносов, у которых в клетках пигментного эпителия совсем
нет меланина, сетчатка существенно менее устойчива к фотоокислению.
Вторая система антиоксидантной защиты в сетчатках обезьян, человека (но не
других млекопитающих), а также птиц — оксикаротиноиды лютеин и зеаксантин, а
также их многочисленные метаболические производные. Эти вещества расположены
прямо в фоторецепторных клетках, причем считается, что зеаксантин находится в
основном в колбочках, сосредоточенных главным образом в центральной части, а
лютеин — на палочках и достаточно равномерно распределен по сетчатке. В
колбочках центральной части сетчатки зеаксантина так много, что он окрашивает
этот участок в желтый цвет — отсюда и название «желтое пятно». У птиц (в
частности, и у перепела) оксикаротиноиды сосредоточены в колбочках — каждая из
них имеет во внутреннем сегменте единственную каплю диаметром 3—5 мкм,
содержащую эти каротиноиды. Оксикаротиноиды также выполняют две функции.
Во-первых, это очень сильные антиоксиданты — как и меланин, они гасят запущенные
светом свободнорадикальные процессы. Если альфа-токоферол (витамин Е) принять за
100% активности, то активность лютеина — 95%, зеаксантина — 90%, а бета-каротина
— только 75%. В экспериментах in vitro оксикаротиноиды активно захватывали
свободные радикалы, в реальности же они должны работать еще лучше, поскольку
сконцентрированы непосредственно в фоторецепторных клетках. Вторая их задача —
отфильтровать токсичный синий свет до того, как он попадет на расположенные ниже
фоторецепторные клетки и на клетки пигментного эпителия. Тем самым они защищают
колбочки от гибели. Вспомним начало статьи: основная причина ухудшения зрения с
возрастом — уменьшение количества фоторецепторных клеток. Отсюда понятно, как
важны оксикаротиноиды.
Эти вещества хорошо изучены — так, известно, что молекулы зеаксантина
располагаются поперечно, поэтому они плотно упакованы в бислойных липидных
мембранах. В то же время молекулы лютеина располагаются в мембране продольно,
поэтому плотность его упаковки и концентрация в мембране оказываются существенно
ниже.
В организме из оксикаротиноидов получается целый набор производных, и все они —
активные антиоксиданты. Кстати, зеаксантина и его производных у человека и
перепела примерно одинаковые количества, а доля лютеина у перепелов — всего 2%,
тогда как у человека 53,5%. Однако интереснее другое. Содержание
оксикаротиноидов в сетчатке не только различается у разных людей, но и сильно
зависит от того, что мы едим. Для начала, у разных людей количество пигмента
может различаться чуть ли не в десять раз — в зависимости от пола, пигментации,
расовой принадлежности и образа жизни. Больше всего его у кареглазых, здоровых и
некурящих мужчин. Но эксперименты показывают, что если сесть на интенсивную
лютеин-зеаксантиновую диету (табл.), то количество оксикаротиноидов в сетчатке
человека будет расти и выйдет на максимум за 40—50 дней (перепелу для этого
нужна всего неделя).
Лютеин и зеаксантин в продуктах (проценты
от общего содержания каротиноидов)
Продукт питания |
Лютеин |
Зеаксантин |
Яичный желток |
54 |
35 |
Кукуруза |
60 |
25 |
Киви |
45 |
0 |
Красный грейпфрут |
43 |
10 |
Цуккини |
47 |
5 |
Тыква |
49 |
0 |
Шпинат |
47 |
0 |
Оранжевый перец |
8 |
37 |
Огурец |
38 |
4 |
Горох |
41 |
0 |
Зеленый перец |
36 |
3 |
Апельсиновый сок |
15 |
20 |
Медовый нектар |
17 |
18 |
Сельдерей |
32 |
2 |
В конце 1990-х годов ученые доказали, что зеаксантин и лютеин играют очень
важную роль в защите сетчатки. Их недостаток приводит к развитию катаракты и
возрастной макулярной дегенерации. Напомним, что макула — это центральная часть
сетчатки, желтое пятно, а возрастные изменения, которые в ней происходят, так
называемая макулярная дистрофия, — огромная проблема для геронтологов, самая
частая причина слепоты у людей старше 55 лет. Лютеин-зеаксантиновая диета
действительно снижает риск развития макулярной дегенерации. В экспериментах на
перепелах такая диета заметно препятствовала накоплению опасных димеров ретиналя
в клетках пигментного эпителия и липофусцино-вых гранулах. Кроме того, у птичек,
сидевших на лютеиновой диете, палочек и колбочек гибло существенно меньше.
Вот так старение глаз у маленькой птички позволяет в ускоренном режиме
пронаблюдать почти все возрастные изменения в глазу человека. А потом и
протестировать вещества, которые, возможно, остановят этот процесс.
Доктор биологических наук П. П. Зак
Доктор биологических наук А. Е. Донцов
«Химия и жизнь», 2013, № 7, стр. 16-19

|