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

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.

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.

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.

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).
 

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

Статья была Вам интересна? Подпишитесь на рассылку “Перепёлка.org.ua - новости перепеловодства” и Вы всегда будете в курсе инноваций в мире перепелов. Подписаться >>

Идёт загрузка...

Оставить комментарий

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий: