Влияние анестезии на сознание. Урегулирование вековых научных дебатов

Хирургия была бы немыслима без общей анестезии, поэтому может удивить, что, несмотря на 175-летнюю историю медицинского применения, врачи и ученые не смогли объяснить, как анестетики временно лишают пациентов сознания.

Новое исследование, опубликованное вчера в журнале PNAS, решает эту давнюю медицинскую тайну. Используя современные наноразмерные микроскопические методы, плюс умные эксперименты на живых клетках и плодовых мушках, ученые показывают, как скопления липидов в клеточной мембране служат недостающим посредником в механизме из двух частей. Временное воздействие анестезии приводит к тому, что липидные кластеры переходят из упорядоченного состояния в беспорядочное, а затем обратно, что приводит к множеству последующих эффектов, которые в конечном итоге вызывают изменения в сознании.

Ричард Лернер, доктор медицины и молекулярной биологии и Скотт Хансен, доктор философии, хотели узнать, действуют ли анестетики непосредственно на ворота клеточной мембраны, называемые ионными каналами, или они каким-то образом действуют на мембрану, чтобы сигнализировать об изменениях клеток новым и неожиданным способом? По словам дуэта, потребовалось почти пять лет экспериментов, вызовов, дебатов и испытаний, чтобы прийти к выводу, что это двухэтапный процесс, который начинается в мембране. Анестетики нарушают упорядоченные липидные кластеры внутри клеточной мембраны, известные как «липидные рафты», чтобы инициировать сигнал.

«Мы считаем, что нет никаких сомнений в том, что этот новый путь используется для других функций мозга, помимо сознания, что позволяет нам теперь избавиться от дополнительных загадок мозга», – говорит Лернер.

Эфирный купол

Способность эфира вызывать потерю сознания была впервые продемонстрирована на пациенте с опухолью в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне в 1846 году в хирургическом театре, который позже стал известен как «Эфирный купол». Процедура была настолько последовательной, что она была запечатлена в знаменитой картине Роберта Хинкли «Первая операция под эфиром». К 1899 году немецкий фармаколог Ханс Хорст Мейер, а затем в 1901 году британский биолог Чарльз Эрнест Овертон мудро пришли к выводу, что растворимость липидов диктует эффективность таких анестетиков.

Хансен вспоминает, как обратился к поиску в Google при составлении заявки на грант для дальнейшего изучения этого исторического вопроса, полагая, что он не может быть единственным, кто убежден в роли мембранных плотов. К радости Хансена, он нашел фигуру из статьи PNAS Лернера 1997 года «Гипотеза об эндогенном аналоге общей анестезии», которая предложила именно такой механизм. Хансен долго смотрел на Лернера – буквально. Хансен, будучи студентом-докторантом в Сан-Диего, говорит, что работал в подвальной лаборатории с окном, выходящим прямо на парковочное место Лернера.

«Я связался с ним и сказал:« Вы никогда не поверите этому. Ваша цифра 1997 года интуитивно описывает то, что я вижу в наших данных прямо сейчас», – вспоминает Хансен. «Это было восхитительно».

Для Лернера это был также захватывающий момент.

«Это дедушка медицинских загадок», – говорит Лернер. «Когда я учился в медицинской школе в Стэнфорде, это была единственная проблема, которую я хотел решить. Анестезия имела такое практическое значение, что я не мог поверить, что мы не знали, как все эти анестетики могут заставить людей терять сознание».

По словам Хансена, многие другие ученые в течение столетий экспериментов искали те же ответы, но им не хватало нескольких ключевых элементов: во-первых, микроскопы, способные визуализировать биологические комплексы, меньшие дифракционных пределов света, и, во-вторых, недавнее понимание природы клеточных мембран, а также сложную организацию и функцию богатого разнообразия липидных комплексов, которые их составляют.

«Они искали целое море липидов, и сигнал был размыт, они просто не видели его, в основном из-за отсутствия технологий», – говорит Хансен.

От порядка к беспорядку

Используя удостоенную Нобелевской премии микроскопическую технологию, в частности микроскоп под названием dSTORM, сокращенно от «микроскопии прямой стохастической оптической реконструкции», постдокторский исследователь в лаборатории Хансена купал клетки в хлороформе и наблюдал что-то вроде первого броска в бильярдную игру. Хансен объясняет, что воздействие хлороформа на клетки сильно увеличило диаметр и площадь липидных кластеров клеточной мембраны под названием GM1.

Хансен говорит, что он смотрел на смену организации кластера GM1, переход от плотно упакованного мяча к разрушенному беспорядку. По мере того, как он становился беспорядочным, GM1 разливал свое содержимое, в том числе фермент, называемый фосфолипазой D2 (PLD2).

Помечая PLD2 флуоресцентным химическим веществом, Хансен смог наблюдать с помощью микроскопа dSTORM, когда PLD2, как бильярдный шар, отошел от своего дома GM1 и перешел к другому, менее предпочтительному липидному кластеру под названием PIP2. Это активировало ключевые молекулы в кластерах PIP2, среди них ионные каналы калия TREK1 и их активатор липидов, фосфатидная кислота (PA). Хансен говорит, что активация TREK1 в основном замораживает способность нейронов стрелять и, таким образом, приводит к потере сознания.

«Калиевые каналы TREK1 высвобождают калий, и это приводит к гиперполяризации нерва – это затрудняет передачу импульса – и просто отключает его», – говорит Хансен.

Лернер настоял, чтобы они подтвердили результаты в модели живого животного. Обыкновенная плодовая муха drosophila melanogaster предоставила эти данные. Удаление экспрессии PLD у мух сделало их устойчивыми к эффектам седации. На самом деле им требовалось удвоить воздействие анестетика, чтобы продемонстрировать тот же ответ.

«Все мухи в конечном итоге потеряли сознание, это говорит о том, что PLD помогает установить порог, но это не единственный путь, контролирующий чувствительность к анестезии», – пишут они.

Хансен и Лернер говорят, что эти открытия открывают множество новых возможностей, которые могут объяснить другие загадки мозга, в том числе молекулярные события, которые заставляют нас уснуть.

Первоначальная гипотеза Лернера о роли «липидных матриц» в сигнале 1997 года возникла в результате его исследований в области биохимии сна и его открытия снотворного липида, который он назвал олеамидом. Сотрудничество Хансена и Лернера в этой области продолжается.

«Мы думаем, что это фундаментально и основополагающе, но нужно проделать гораздо больше работы, и это нужно делать многим людям», – говорит Хансен. «Люди начнут изучать это для всего, что вы можете себе представить: сон, сознание, все связанные с этим расстройства», – говорит он. «Эфир был даром, который помогает нам понять проблему сознания. Это пролило свет на ранее неизвестный путь, который мозг явно развил, чтобы управлять функциями высшего порядка».

DOI: 10.1073 / pnas.2004259117