Катаракта и дегенеративные заболевания сетчатки: от науки к практике
Парадоксы зрения и спасение в жёлтых очках
Марина Муравьёва, STRF.ru
Новые методы диагностики и профилактики распространённых глазных болезней – катаракты и дегенеративных заболеваний сетчатки – разрабатывают учёные академического Института биохимической физики под руководством академика РАН Михаила Островского.
История изучения механизмов зрения – это сама история развития науки, история любопытства учёных, говорит академик Островский, заведующий лабораторией физико-химических основ рецепции Института биохимической физики РАН имени академика Н.М. Эмануэля: «Со времён древних греков учёные пытаются ответить на, казалось бы, простой вопрос: каким образом свет превращается в зрение. Ответ на него есть, и он, собственно говоря, был всегда, но только на том уровне знаний, на котором в тот или иной период времени находилась сама наука».
Огромный вклад в изучение механизмов зрения внесли физики. Так, ещё в XVII веке астроном и физик Иоганн Кеплер описал глаз как «камеру-обскуру», где хрусталик – фокусирующая линза, создающая на сетчатке уменьшенное и перевёрнутое изображение. «Я оставляю будущим натурфилософам задачу понять, каким образом мы видим мир неперевёрнутым», – писал Кеплер. Над загадкой зрения работали и другие великие учёные. Достаточно назвать Юнга, Максвелла, Гельмгольца.
В первой половине ХХ века из работ российских физиков – академика Юлия Харитона, а чуть позже академика Сергея Вавилова стало ясно, что зрительная клетка – это своего рода живой фотоумножитель, способный детектировать всего лишь один квант света. За последние два-три десятилетия было определено, как именно работает этот фотоумножитель, как он усиливает в сто или даже в миллион раз полученный им световой сигнал величиной всего в один квант. Чтобы человек что-то увидел – даже самую слабую световую вспышку, его сетчатке достаточно поглотить всего 15-20 квантов.
Российский академик Михаил Островский, перенявший эстафету исследований механизмов зрения от своих предшественников, изучает явление, которое он называет «фотобиологический парадокс зрения». За многолетние фундаментальные исследования процессов зрения он удостоен высшей награды физиологов – золотой медали имени И. М. Сеченова Российской академии наук.
Парадокс зрения
«Свет – не только носитель зрительной информации, но и потенциально опасный фактор, способный повредить структуры глаза, – говорит академик Островский. – Зрение, вернее, способность самых первых примитивных организмов использовать свет в качестве источника информации, возникло на заре эволюции животного мира, то есть около 600 миллионов лет назад. И одновременно появились механизмы, предотвращающие опасность повреждающего действия света. Конечно, за последующие миллионы лет эволюции зрительный аппарат совершенствовался. И на каждой последующей ступени эволюции фотобиологический парадокс зрения разрешался всё более эффективно. Те организмы, которые не сумели приспособиться, погибли. В этом принцип дарвиновского отбора. В нашем случае выживает зрячий».
Компоненты молекулярной «машинерии» зрения крайне уязвимы для повреждающего действия света, если их не защитить, то они могут сгореть от света. Особенно опасны для них ультрафиолет и фиолетово-синяя часть солнечного спектра. Дело в том, что в зрительных клетках сетчатки и в клетках лежащего за ней пигментного эпителия накапливаются вредные вещества, которые эффективно поглощают синий свет. В результате этого они способны образовывать свободные радикалы – активные и токсичные формы кислорода, которые могут приводить к разрушительным последствиям. К таким вредным веществам относится так называемый «пигмент старости» – липофусцин, который с возрастом накапливается в клетках пигментного эпителия. До исследований академика Островского и его сотрудников (начало 90-х годов) считалось, что липофусцин – это всего лишь инертные шлаки внутри клетки. Но выяснилось, что они далеко не инертны, а под действием синего света становятся активными источниками разрушающих свободных радикалов. Более того, развитие тяжелейших заболеваний сетчатки, приводящих к частичной, а иногда и полной потери зрения сопровождается массированным накоплением в этих клетках именно «пигмента старости». Более чем вероятно, что хорошо известное офтальмологам усугубляющее действие света при таких заболеваниях сетчатки, как раз связано с накоплением «пигмента старости».
Как защититься от света
Фотобиологический парадокс зрения благополучно разрешила сама же природа. За миллионы лет эволюции возникли системы защиты. По крайней мере, их три. Первая и наиболее эффективная – светочувствительные части зрительной клетки, в которых и происходит преобразование света в зрительный сигнал, обновляются примерно каждые 10-12 дней. Вторая – так называемые антиоксиданты, которых в зрительных клетках гораздо больше, чем во всех других клетках организма, и которые защищают их от фотоокисления, от повреждающего действия света и кислорода. Это витамины Е и С, а также комплекс антиоксидантных ферментов. И, наконец, третья – это оптическая система, в которой ключевую роль играет хрусталик. Хрусталик – это не только фокусирующая линза, обеспечивающая чёткое (и перевёрнутое) изображение на дне глазного яблока, но и весьма эффективный светофильтр, который отсекает области оптического спектра.
С возрастом хрусталик желтеет, поэтому у пожилых людей цветоразличение становится хуже, особенно плохо они различают синие цвета – желтеющий хрусталик частично «закрывает» сине-чувствительные колбочки (французский художник и скульптор Анри Матисс (1869-1954) в старости активно использовал синие краски). Если у детей хрусталик прозрачный и бесцветный, то у пожилых людей – прозрачный (если нет катаракты) и жёлтоватый, бывает даже с коричневым оттенком.
Медики считали, что эта желтизна сопутствует старости, вроде морщин или седины, что, в принципе, верно. «Но вместе с тем, – отмечает Михаил Островский, – это ещё и приспособительная реакция глаза, физиологический смысл которой отсечь от стареющей сетчатки опасную часть солнечного спектра – не только ультрафиолетовую, но и частично синюю».
К тому моменту (начало 1980-х годов), когда на основании результатов фундаментальный исследований учёные поняли, что искусственный хрусталик, который вставляют в глаз после удаления катарактального, должен быть не бесцветный, а желтоватый, как и нормальный хрусталик 45-50-летнего человека, в мире имплантирвали бесцветные искусственные хрусталики. Их делали из пластмассы – полиметилметакрилата. Попросту говоря, это плексиглас. Иногда в него добавляли поглотитель ультрафиолетовых лучей, поскольку хорошо знали, что ультрафиолет опасен для сетчатки. Но обычно в оргстекло ничего не добавляли, и оно пропускало к сетчатке все лучи солнечного спектра, начиная от жёсткого ультрафиолета. В результате у пациентов наблюдался побочный эффект – осложнения в виде «ожога» сетчатки. Группа Островского предложила химикам ввести в плекс краску (технически это несложно) и сделать искусственный хрусталик желтоватого цвета. Первым такие хрусталики начал имплантировать в фёдоровском офтальмологическом центре – МНТК «Микрохирургия глаза» профессор Линник. Начиная с 1986 года, успешно проведено более одного миллиона трёхсот тысяч операций. В результате чего количество осложнений сетчатки снизилось, по данным МНТК «Микрохирургия глаза», почти в 10 раз.
Как отмечает академик Островский, для его коллег – физиологов идея жёлтого хрусталика была очевидной, тогда как для офтальмологов – открытием. Не так давно известная американская фирма Alcon создала мягкие искусственные хрусталики такого же цвета. Но впервые до этого додумались российские учёные. Они с 20-летним опережением создали новое поколение искусственных хрусталиков глаза, надёжно защищающих сетчатку от опасности светового повреждения. В 2005 году за работу «Разработка, научное обоснование и внедрение в офтальмологическую практику фотопротекторных искусственных хрусталиков с естественной спектральной характеристикой» академику РАН Михаилу Островскому (руководитель работы), Павлу Заку, профессору. Леониду Линнику и профессору. Христо Тахчиди была присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники.
Жёлтые очки помогут
Продолжая начатые в 80-х годах исследования, коллектив академика Островского планировал создать фотохромные хрусталики, которые были бы как хамелеон: в темноте – бесцветными, а на улице – жёлтыми. Но оказалось, что химики решить проблему пока не могут: фотохромные вещества, которые меняют цвет, работают только в стекле или очень твёрдом полимере, а хрусталики из стекла делать нельзя. Поэтому учёные приступили к созданию фотохромных очков. Работы проводятся совместно с академиком Минкиным из Южного Научного Центра в Ростове и академиком Алдошиным из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке. В настоящее время учёные подбирают спектры, определяют, какие нужны фотохромные красители. Очки эти должны в сумерках или при неярком освещении быть бесцветными, а на ярком свете приобретать цвет янтаря – от светлого до тёмного, в зависимости от интенсивности освещения. Такие очки будут не только защищать глаза, но и улучшать качество зрительного восприятия. Впрочем, то, что жёлтые светофильтры, уменьшая хроматическую аберрацию, улучшают качество изображения, хорошо известно профессиональным фотографам: они часто используют такие светофильтры, чтобы кадр получился более чётким. Такие очки нужны людям, у которых имеются проблемы с сетчаткой, а это, как правило, слабовидящие, или те, кому после удаления катаракты имплантированы бесцветные искусственные хрусталики. Кроме того, фотохромные очки необходимы пожилым людям, у которых повышен риск светового повреждения хрусталика и сетчатки. Эти работы проводятся в рамках проекта, поддержанного ФЦП «Исследование и разработки».
В поисках «пигмента старости»
Ещё одно направление проекта – разработка и усовершенствование новых методов диагностики старческих изменений и дегенеративных заболеваний сетчатки. В частности, есть очень тяжёлое и распространённое заболевание – возрастная макулярная дегенерация сетчатки, которое может приводить к полной слепоте. Эффективных способов его лечения пока не создано. Если хрусталик можно заменить, то сетчатку – нет. Как сказал в начале прошлого века испанский учёный Рамон-и-Кахал, «сетчатка – это часть мозга, помещённая в глаз». И как нельзя заменить мозг, так и нельзя заменить сетчатку глаза, добавляет академик Островский.
Сетчатка, как пирожное «наполеон», состоит из многих слоёв, самый наружный – это слой зрительных клеток. За ними лежит так называемый пигментный эпителий, прилежащий к сетчатке. Поскольку светочувствительная часть зрительной клетки постоянно обновляется, то обломки этой части попадают и перевариваются в клетках пигментного эпителия. С возрастом эти обломки перевариваются всё хуже, и потому накапливаются в этих клетках. Такие «недопереваренные» обломки образуют «пигмент старости». При заболеваниях сетчатки «пигмента старости» накапливается огромное количество. Этому пигменту присущи два свойства. Во-первых, он фототоксичен, и, во-вторых, он сильно флуоресцирует. Именно потому, что «пигмент старости» фототоксичен, от него необходимо отсечь ультрафиолетовый и фиолетово-синий свет, который этот пигмент эффективно поглощает и который для старческой или больной сетчатки особенно опасен. Флуоресценция «пигмента старости» позволяет оценить, много ли его накопилось в пигментном эпителии. Для этого сравнительно недавно был разработан очень дорогой прибор – конфокальный сканирующий лазерный офтальмоскоп. Он позволяет неинвазивно – и это принципиально важно, «ловить» эту флуоресценцию. Чем больше флуоресценция, тем больше «пигмента старости» («липофусцин»). По степени и локализации флуоресценции глазного дна можно определить стадии и тяжесть заболевания сетчатки.
«Это флуоресцентная неинвазивная диагностика исключительно эффективна и совершенно безвредна, и не надо вводить ничего в кровь, чтобы потом увидеть флуоресценцию, как это делают сейчас, – говорит Михаил Островский. – Далеко не во всех офтальмологических центрах мира есть такие приборы, они очень дорогие, и не везде умеют на них грамотно работать. Нужно понять, о чём именно говорит эта неинвазивная флуоресценция глазного дна. Этим мы и занимаемся, чтобы усовершенствовать, как говорится «довести до ума», этот новый метод диагностики. Чем раньше и достовернее врачи будут определять болезнь, тем легче будет защитить больную сетчатку, например, от усугубляющего болезнь действия света, или тем эффективнее могут быть способы лечения, которые существуют и применяются в настоящее время».
Академик Островский подчёркивает, как важно, что они – физиологи – тесно сотрудничают с физиками и химиками. Именно понимание необходимости такого сотрудничества привело в своё время академика, лауреата Нобелевской премии Н.Н. Семёнова – основателя Института химической физики, и ученика – академика Н.М. Эмануэля, основателя Института биохимической физики, к тому, что они активно собирали в стенах одного института учёных разных специальностей. И это оказалось исключительно плодотворным. Успехи лаборатории академика Островского в области фундаментальных и прикладных исследований первичных механизмов зрения – наглядное тому свидетельство.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru/
18.05.2009