Сверхмалые дозы в лаборатории

На Втором съезде биофизиков, прошедшем в августе 1999 года, большой интерес вызвал доклад профессора Е.Б.Бурлаковой «Сверхмалые дозы физико-химических факторов». Наш журнал всегда уделял внимание этой дискуссионной проблеме — вспомните статью Т.Д.Поповой о гомеопатии «Попасть в десятку» (1985, № 2). Мы комментировали сенсационные результаты Ж. Бенвениста (1988, № 12), рассказывали о работах отечественного исследователя Г.Н.Шангина-Березовского (1991, № 5). Недавно мы снова вернулись к этой теме, напечатав статью о гликопротеинах, активных в сверхмалых дозах (1999, № 11/12). Сегодня мы публикуем материал на основе доклада Е.Б.Бурлаковой — обзор основных вопросов, которые сейчас решают исследователи.

Сверхмалые дозы в лаборатории
В 1984 году мы вместе с сотрудниками Института психологии РАН начали работы с малыми дозами биологически активных веществ. Если говорить честно, начались эти работы абсолютно случайно. Мы изучали действие антиоксидантов из класса фенолов на изолированный нейрон виноградной улитки. Концентрации 1е-4...1е-3 М оказались токсичными для клетки, и необходимо было уменьшить дозу. Однако вместо того чтобы развести препарат в два-три раза, лаборантка по ошибке приготовила сто- и тысячекратные разведения. Тем не менее мы исследовали эти растворы и были поражены: эффект не только не исчез, но усилился! К этому времени Жак Бенвенист еще не сделал своих сенсационных открытий, но мы, конечно, сразу же вспомнили о работах Г.Н.Шангина-Березовского, который ранее продемонстрировал, что нитрозометилмочевина, вызывающая разрывы в хромосомах, сохраняет активность в очень маленькой дозе.

После этого примерно полгода мы повторяли эксперименты с разнообразными контролями, чтобы исключить возможность ошибки. Поначалу наши результаты вызывали недоверие и насмешку. Биологическое действие сверхмалых доз воспринимали как забавный артефакт, а не как открытие. Поэтому первая задача исследователей, занимающихся сверхмалыми дозами, состояла в том, чтобы показать, что явление существует, данные статистически до стоверны и воспроизводимы. По-моему, с этой задачей мы справились. Теперь, по прошествии пятнадцати лет, о сверхмалых дозах говорят как о реальном явлении, которое нуждается в серьезном исследовании.

Какие именно концентрации следует называть сверхмалыми? Несомненно, речь идет о таких количествах биологически активного вещества, действие которых нельзя объяснить с позиций современной биохимии (скажем, прямым взаимодействием молекул активного вещества и его «мишени»). Часть ученых утверждает, что сверхмалые концентрации — это 1е-11 М и меньше. Они исходят из того, что «концентрация» клеточных рецепторов в ткани составляет около 1е-9 М (то есть в кубическом дециметре ткани содержится 1е-9 молей или 6Е14 рецепторов), а влияние активного вещества будет заметным, если его молекулы взаимодействуют хотя бы с одним из ста рецепторов. Принимая во внимание, что могут существовать и супераффинные рецепторы (со сверхэффективным связыванием активного вещества), другие ученые считают, что сверхмалые дозы начинаются с 1е-14 М. Мы в наших работах предлагаем считать сверхмалыми дозировки, соответствующие одной—пяти молекулам на одну клетку: это 1е-13 М и ниже.

Какие данные свидетельствуют в пользу того, что эффект сверхмалых доз действительно существует? Есть несколько обзоров, посвященных этим эффектам. Воздействия сверхмалых доз обнаружили специалисты в самых разных областях биологической науки. Интерлейкин, феромоны, гормоны роста, опиоидные пептиды, энкефалин; вещества непептидной природы — антиоксиданты, морфин, форболовые эфиры, многие лекарственные препараты (ноотропил, аминалон, феназепам) — вот далеко не полный перечень соединений, проявляющих биологическую активность в концентрациях меньше 1е-11 М.

Но почему все это не обнаружили раньше? Ведь лекарственные препараты перед клиническими испытаниями исследуют всесторонне, как же можно было не обратить внимания на такой потрясающий эффект? А объясняется зто очень просто. Как правило, если уменьшить концентрацию активного вещества в два или в десять раз, во столько же раз уменьшится и биологический эффект, измеряемый в абсолютных единицах (например, изменение концентрации метаболита, на синтез которого влияет лекарство). При уменьшении концентрации активного вещества в сто, тысячу, в десять тысяч раз эффект пропадает... а при разведении в сто тысяч раз он появляется снова. Но кому придет в голову это проверять, если исчезновение эффекта уже продемонстрировано? Мысль о том, что меньшие количества вещества могут действовать сильнее, чем большие, казалась абсурдной.

Между тем зависимость эффекта от концентрации часто имеет вид «двугорбой» кривой: пики, соответствующие активным концентрациям, разделены «мертвой зоной», в которой вещество может не проявлять никакой активности, а может даже изменять ее на противоположную (так, например, некоторые противоопухолевые препараты в определенном интервале концентраций способствуют ускорению роста опухолей).

Но к большому сожалению, механизм эффекта пока еще не раскрыт. Конечно, в истории биологии и медицины можно найти немало примеров, когда от обнаружения эффекта до раскрытия механизма проходят десятки лет. Совсем недавно стало известно, что аспирин снимает воспаление и снижает температуру, потому что действует на фермент простагландинсинтетазу, а нитроглицерин расширяет сосуды, потому что при его метаболизме выделяется оксид азота (см. «Химию и жизнь» № 10 за 1999 год). Однако то и другое лекарство легко можно было купить в аптеке задолго до этих открытий. Но действие вещества в сверхмалых дозах — несколько иной случай. Пока не понят механизм, остается впечатление, что отсутствует материальная причина эффекта: если он вызван не прямым взаимодействием молекулы с молекулой, то чем же?

Здесь открывается широкий простор не только для теоретических построений, но и для шарлатанской практики. От «воздействия малых концентраций на структуру воды» всего один шаг до «информационных полей» и сеансов Чумака. Отсюда следует, что изучением механизма необходимо заняться в первую очередь.

Заметим, что активность в сверхмалых дозах проявляют не все вещества. Например, если взять пестициды из разных групп, в обычных дозах одинаково эффективно подавляющие рост сорняков, одни окажутся активными и в разведениях, другие же — нет. Кроме того, многие лекарственные препараты, как известно, дают целый «букет» воздействий на организм. А в сверхмалых дозах происходит расслоение эффектов: одни сохраняются, другие пропадают. Если сохранится основное действие, а пропадут нежелательные побочные эффекты, это может стать настоящей находкой для фармацевтов. (Так получилось, например, с препаратами феназепама. В привычной дозировке это лекарство действует не только как успокаивающее, но и как снотворное, поэтому его принимают на ночь. А вот феназепам в сверхмалых дозах успокаивает, но сонливости не вызывает, следовательно, его можно использовать и днем, в рабочее время.)

Все это обнадеживает. Если одни вещества действуют в малых дозах, а другие — нет, один эффект большой дозы воспроизводится в малой дозе, а другой — нет, то, возможно, проанализировав эти различия, удастся отыскать ключ к механизму. Но нельзя ли поставить прямой эксперимент?

Воздействие сверхмалых доз наблюдали в самых разных системах: в популяциях, у отдельных особей, в тканях и клетках, в бесклеточных ферментативных системах. С нашей точки зрения, наиболее интересно изучать влияние сверхмалых доз на фермент. В самом деле, если сверхмалое количество вещества действует на клетку или целостный организм, невозможно сказать, действует ли вещество напрямую или через посредников (например, через рецептор). Между тем знать это очень важно.

Известно, что токоферол (витамин Е) подавляет активность фермента протеинкиназы С. Мы провели эксперимент, который должен был продемонстрировать прямое воздействие токоферола в различных концентрациях, вплоть до сверхмалых, на активность протеинкиназы С. Оказалось, что это воздействие особенно сильно в двух интервалах концентраций — 1е-5...1е-4 М и 1е-16... 1е-14 М, которые разделяет «мертвая зона».

Заметим, что протеинкиназа С — это липид-зависимый фермент, белок, окруженный кусочком мембраны: фактически комплекс «липид/белок». Можно было предположить, что эффект связан с клеточными мембранами. Но фермент ацетилхолинэстераза — чистый белок также оказался чувствительным к сверхмалым дозам активного вещества.

Может быть, один из самых главных вопросов, который стоит теперь перед нами: почему в малых дозах эффект тот же, что и в больших? Ведь совершенно очевидно, что одно и то же вещество в обычной и в сверхмалой дозе не может действовать одним и тем же способом. Прямое химическое взаимодействие антиоксиданта с ферментом совершенно исключено, когда на одну молекулу активного вещества приходится от нескольких тысяч до 100 000 молекул фермента. Но если задействуются разные механизмы, почему они приводят к одному результату?

Какие объяснения наблюдаемого эффекта мы можем предложить при раз личных концентрациях активного вещества (например, антиоксиданта). При дозах 1е-5...1е-3 М возможно и его прямое влияние на фермент, и реакция с пероксидными радикалами, и реакция с активными формами кислорода, и рецепторное взаимодействие. Если мы уменьшим концентрацию до 1е-7...1е-6, прямое влияние на фермент — образование с ним комплекса — уже маловероятно. Но остается еще реакция с пероксидными радикалами и активным кислородом, а также рецепторные взаимодействия. При 1е-10...1е-9 М реакции с пероксидным радикалом уже невозможны по кинетическим соображениям. Рецепторный механизм еще может работать. Но эффект сохраняется и при 1е-16...1е-15 М, и здесь уже надо предлагать что-то новое: например, параметрический резонанс по Л.А. Блюменфельду. Не вдаваясь в подробности, заметим, что эта теория «разрешает» минимальную активную дозу 1е-16...1е-15 М.

Как быть с меньшими дозами, до 1е-18 М? По нашим данным, сверхмалые дозы, вплоть до таких низких, могут изменять структуру мембраны, при повышении же концентрации выявляется и «мертвая зона», в которой изменения минимальны. Но изменение мембраны само по себе должно быть следствием какого-то другого процесса. Пока остается открытым вопрос о долгоживущих кластерах воды в биологических объектах (этот вопрос рассматривался в № 11/12 «Химии и жизни» за 1999 год, в статье «Снова о сверхмалых дозах») и о том, как подобные кластеры могли бы влиять на свойства белков и липидных мембран. Здесь могли бы свое слово сказать физики, если биологам удастся найти с ними взаимопонимание.