Российские и японские ученые выяснили, как развивается злокачественная гипертермия

Пущинский ученый из ИТЭБ РАН, совместно с японскими коллегами, выявил  физический механизм смертельно опасного заболевания – злокачественной гипертермии (Malignant Hyperthermia Syndrome). Результаты их исследований опубликованы в свежем номере журнала PNAS.

Каждому пациенту, которому по доброй воле перед операцией предстоит общая анестезия, всегда приходится отвечать анестезиологу на вопрос (порядка 450 тысяч таких вопросов в день по всему миру) о том, были ли у него или у его родственников прецеденты резкого неконтролируемого повышения температуры при предыдущих случаях анестезии. Вопрос этот не праздный, и связан он со статистикой летальных происшествий. Например, на 50 тыс. таких процедур в день от 6 до 10 человек имеют все шансы умереть, если не осуществить экстренные меры, применение которых в свою очередь не гарантирует полного успеха.

Давно было известно, что за злокачественную гипертермию ответственны мутации внутриклеточных кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума скелетных мышц - RYR1 (ryanodine  receptor  type 1), которые в процессе инициации общей анестезии переходят в необратимое открытое состояние, приводящее к неконтролируемому выбросу кальция из саркоплазматического ретикулума и вызывающего фатальный гиперметаболизм. За этим следует повышение температуры тела до летального уровня со скоростями порядка 1°C за две-три минуты. В пересчете на массу тела 80 кг это эквивалентно мощности разогрева в 1.9 кВт. Это значит, что умирающий пациент генерирует мощность в четыре раза большую, чем документально зафиксированная, максимальная постоянная мышечная мощность, на которую способен человек – 460 Вт, показанная велосипедистом Альберто Контадором, победителем Тур де Франс 2009.  

До настоящего времени сам активационный механизм, приводящий мутанты RyR1 к ответственности за взрывное выделение тепловой энергии в теле человека, был неизвестен.  В работе ученых, являющейся коллаборацией физиков и генетиков, было проведено сравнение тепловой чувствительности активации кальциевых каналов в клетках «здорового типа» и в мутантах RyR1, экспрессированных в эмбриональных клетках человека HEK 293.

Зав. лабораторией цитотехнологии ИТЭБ РАН, к.ф.-м.н. Вадим Цееб , инициатор и исполнитель этого проекта, поддержанного грантом European  Commission  Human  Frontier  Science  Program: - Мы использовали метод, позволивший осуществлять прецизионный и быстрый ультралокальный контроль температуры на микронном пространственном разрешении внутри живой клетки с точностью превосходящей 1°C. Исследование показало, что для мутантов RyR1 их переход в открытое состояние  чрезвычайно чувствителен к повышению температуры в сравнении с культурой клеток «здорового» типа.

Полученные учеными данные позволяют предположить, что когда анестезией запускается каскад процессов выделения тепла, связанного с некоторой тенденцией перехода кальциевых каналов в открытое состояние под действием анестетиков,   именно каналы с мутациями характерными для злокачественной гипертермии (в отличие от каналов  клеток «здорового» типа) демонстрируют гиперчувствительный к температуре активационный режим перехода в открытое состояние и “лавинообразно скатываются” во взрывной режим (сходный с физикой процессов цепных ядерных реакций). При этом каждый новый открытый канал провоцирует увеличение тепловыделения, которое в свою очередь вызывает открытие все большего числа каналов. Температурный ответ интегральной кинетики активации RyR1 мутантов становится необратимым, как это происходит в высокоэкзотермических химических реакциях, ускоряемых ростом температуры - феномен положительной обратной связи или температурный разгон/(thermal  runaway).

Зав. лабораторией цитотехнологии ИТЭБ РАН, к.ф.-м.н. Вадим Цееб : - Мы удовлетворены тем, что наши исследования привели к прояснению механизмов конкретного летального заболевания», - рассказывает В. Цееб, - «однако не менее важен здесь и фундаментальный посыл, указывающий на то, что интегральные явления тепловыделения в живой клетке в такой экстремальной, разбалансированной мутациями ситуации как при злокачественной гипертермии, вероятно лишь экспериментально видимая верхушка айсберга точно настроенного оркестра отрицательных и положительных обратных связей ультралокальной термической активации процессов в живой клетке (в норме), происходящих в наноскопических объемах вблизи открытых ионных каналов клеточных мембран.

Работа поддержана грантом EU  Commission  HFSP (RGP0047/2018), Страсбург.

На фото:  Лаборатория проф. Шиничи Ишиваты (Shin’ichi  Ishiwata), физфак Университета Васеда, Токио. Предоставлено Цеебом В.Э