Энзимотерапия и искусственные органы

Исследования показывают, что нарушения механизмов ферментативных реакций являются причиной все большего числа заболеваний и функциональных нарушений организма человека. При многих болезнях полностью или частично отсутствуют специфические ферменты. Сейчас известно более 150 заболеваний, вызванных недостатком в организме ферментов (энзимопатии).

Лечение путем непосредственного введения отсутствующих в организме ферментов возможно в настоящее время только в случае внеклеточных ферментов. Относительно просто, например, восполнить в организме недостаток пищеварительных ферментов. Больной может их принимать непосредственно вовнутрь. Ферменты, вызывающие растворение тромбов (стрептокиназа, урокиназа), вводятся больному прямо в кровь. До сих пор, однако, еще не удалось ввести ферменты именно в те клетки, где их не хватает. Будучи относительно большими молекулами, ферменты не могут проникнуть через клеточные мембраны. В ряде опытов тем не менее было показано, что ввести ферменты в клетки в принципе возможно. Для этого их заключают в мембраны красных кровяных телец (эритроцитов) или окружают жироподобными липидными оболочками (липосомы). Поскольку мембраны нужных клеток также состоят из липидов, липосомы или мембраны эритроцитов сливаются с ними, фермент попадает в клетку и может в ней функционировать.

Рис. 37. Принцип ферментативного расщепления мочевины микрокапсулированной уреазой с использованием искусственной почки, разработанной проф. Чангом

При недостатке определенных ферментов соответствующие им субстраты накапливаются или превращаются во вредные для организма вещества. Классическим примером этого служит фенилкетонурия (слабоумие, вызванное фенилпировиноградной кислотой). Из-за отсутствия фенилаланингидроксилазы аминокислота фенилаланин, поступающая вместе с пищей, не расщепляется, а накапливается. Организм стремится удалить накопившуюся аминокислоту с помощью другого фермента, однако при этом образуется фенилпировиноградная кислота, являющаяся ядом, особенно для центральной нервной системы. Если не проводить соответствующего лечения, то фенилкетонурия ведет к слабоумию. Поэтому очень важно своевременно выявить врожденный недостаток фенилаланингидроксилазы. Лечение состоит в очень строгой диете, не содержащей фенилаланина. Дело в том, что если в организм с пищей не поступает фенилаланин, то и не может образовываться опасная фенилпировиноградная кислота. Если дети с таким заболеванием сразу с момента рождения получают такую диету, то их умственное развитие протекает совершенно нормально.

Недостаток ферментов может приводить также и к недостатку конечных продуктов ферментативных реакций в организме. Например, при отсутствии медьсодержащего фермента тирозиназы в организме не образуется пигмент меланин, ответственный за коричневую окраску кожи и темный цвет волос. Таковы причины альбинизма.

Для расщепления вредных для человека субстратов или продуктов ферментативных реакций проводятся опыты с ферментами, заключенными в микрокапсулы. При микрокапсулировании ферменты помещают в полупроницаемые полимерные мембраны, через которые могут диффундировать маленькие молекулы, такие, как молекулы субстрата и конечного продукта, а не заключенные в нее ферменты. Последние не могут пройти через мембрану и выйти наружу, а протеазы и антитела не могут попасть вовнутрь. Благодаря этому устраняется возможность иммунологических защитных реакций и расщепления ферментов протеазами данного организма, а ферменты сохраняют в течение длительного времени свою активность.

Микрокапсулы первым применил проф. Т. Чанг из Университета Магилла в Монреале. Например, для борьбы с некоторыми формами рака крови (лейкемии) он микрокапсулировал аспарагиназу. В раковых клетках при определенных формах лейкемии в отличие от нормальных клеток нет аспарагинсинтетазы. Поэтому они не могут сами синтезировать жизненно важную аминокислоту аспарагин, а должны брать ее из крови. При инъецировании больному аспарагиназы аспарагин расщепляется уже в крови. Он, таким образом, не поступает в раковые клетки. Они истощаются, и тем самым подавляется их рост. С помощью микрокапсулированной аспарагиназы нулевую концентрацию аспарагина в крови можно поддерживать в течение шести дней. Лечение аспарагиназой указывает на возможный путь целенаправленной ферментативной борьбы с раком.

Чанг использовал микрокапсулированную уреазу для активной очистки крови почечных больных, кровь которых обычно пассивно освобождается от мочевины диализом с использованием искусственной почки. Этот аппарат все еще остается дорогим, громоздким, создание его требует больших затрат труда. При диализе - "вымывании" мочевины из крови, из нее неспецифически удаляются с большим количеством жидкости все низкомолекулярные соединения, которые по размеру близки к мочевине и потому могут пройти через мембрану. Потеря этих веществ должна быть восполнена. Микрокапсулированная уреаза, напротив, активно удаляет только мочевину, не трогая все остальные вещества в крови. Микрокапсулы упаковывают в маленькие, транспортабельные камеры, через которые может циркулировать кровь. Кроме уреазы в капсулы добавляют также активированный уголь, предварительно обработанный специальным образом. Уреаза специфически превращает мочевину, диффундирующую в капсулы, в ионы аммония и угольную кислоту. Довольно ядовитые положительно заряженные ионы аммония связываются активированным углем и таким образом удаляются из крови. Угольная же кислота распадается на воду и углекислый газ, который выводится из организма через легкие. Ионы аммония можно, однако, обезвредить, превратить в усвояемые человеком продукты и с помощью дополнительного фермента, заключенного в капсулу с уреазой (например, глутаматдегидрогеназы). Ферментативная "искусственная почка" - важный шаг на пути к специфической активной очистке организма от ядов. Напрашивается мысль использовать по аналогии с уреазой определенные ферменты печени, такие, как система цитохрома Р-450, для того, чтобы, например, при отравлениях снотворными средствами или при заболеваниях печени очистить организм больного с помощью своего рода "искусственной печени" от ядовитых веществ. Однако пока ферменты печени вне организма очень нестабильны. Их необходимо все время снабжать коферментами, поставляющими энергию. Скорость разложения чужеродных веществ низка. Даже глядя в будущее очень оптимистично, надо сказать, что ферментативные "искусственные органы" смогут лишь частично заменить функции таких исключительно сложных органов, как печень.

Для того чтобы управлять и регулировать работу искусственных органов и аппаратов, заменяющих функции определенных органов человека, нужно постоянно следить за концентрацией важнейших продуктов обмена веществ в организме. Так, в крайне тяжелых случаях сахарного диабета дозы инсулина, назначаемые больным, должны по возможности постоянно приводиться в соответствие с меняющимися потребностями организма. Для этого используют сенсор, который постоянно измеряет концентрацию глюкозы в крови. Как только она повышается, он включает прибор для инъекции инсулина, инсулин поступает в кровь, и концентрация глюкозы снижается до нормального уровня. Ученые всего мира в настоящее время заняты разработкой имплантируемых ферментных электродов, изучают возможности использования иммобилизованных ферментов вместе с сенсорами.

Рис. 38. Принцип ферментных усилителей, разработанный группой проф. И. В. Березина. Вверху - ферментная бессеребряная фотография; внизу - ферментный механосенсор