Научные исследования проводятся в НИИ биохимии по четырем основным направлениям, утвержденным Президиумом РАМН:
- Направление 1. Изучение биохимических механизмов стресса и перестройки гомеостатических систем человека и животных при действии на организм экологических факторов Сибири и Севера;
- Направление 2. Разработка методов коррекции нарушений обмена веществ, биохимических основ рационального питания и метаболизма ксенобиотиков с применением различных методов, в том числе и методов химического микроанализа;
- Направление 3. Изучение молекулярных механизмов межклеточных взаимодействий в норме и в условиях функционального напряжения гомеостатических систем с целью разработки методов управления пролиферативными, дистрофическими и регенераторными процессами;
- Направление 4. Изучение на основе методов молекулярной биологии и биотехнологии направленной регуляции активности генов, конструирование штаммов продуцентов белков-регуляторов иммунной системы и гематопоэза, создание профилактических и лечебных средств, диагностических наборов и препаратов и осуществление их опытного производства.
Направление 1. Изучение биохимических механизмов стресса и перестройки гомеостатических систем человека и животных при действии на организм экологических факторов Сибири и Севера
Показано, что у человека под влиянием экологических факторов высоких широт происходит изменение всех видов обмена: белков, жиров, углеводов, витаминов, макро- и микроэлементов. Формируется полярный метаболический тип, характерным проявлением которого является переключение энергетического обмена с углеводного типа на липидный. Организм переходит на новый уровень гомеостаза с формированием иных экологически обусловленных норм его здоровья. Изменяются нормативные характеристики в области физиологии и патологии человека. Хотя закономерности развития типовых патологических процессов (воспаление, дистрофия, атеросклероз и т.д.) везде одинаковы, но характер течения заболевания, скорость ее разрешения (острый или хронический вариант, выход в восстановительную регенерацию или склероз) разные. Все это уже сегодня нашло отражение в курсах лекций для врачей по общей и частной патологии человека.
Описан механизм перестройки гормональной регуляции обмена у человека на Севере, ведущим признаком которого является снижение продукции инсулина. Это явление получило название «диабета напряжения». Для него характерно:
- снижение содержания инсулина в крови и реакции инсулярного аппарата на углеводную нагрузку;
- снижение потребления углеводов тканями;
- снижение содержания сахара в крови в связи с о снижением почечного барьера для него и других низкомолекулярных соединений крови, например, витаминов группы В;
- наличие сахара в моче и быстрое повышение концентрации в ней в связи с приемом углеводов.
Определены условия, при которых данная реакция приобретает патологические черты, приводя к развитию диабета второго типа.
Описан ряд дизадаптационных синдромов у человека на Севере.
Один из них связан с дефицитом витамина В1, усиливающим эффект переключения энергетического обмена с углеводного типа на липидный. Он всегда развивается на фоне одновременного увеличения в крови содержания сахара, пирувата и лактата, что является классическим признаком торможения анаэробной фазы углеводного обмена на уровне пируватдекар-боксилазной реакции.
Другой синдром связан с развитием вторичных гиповитаминозов, обусловленных низкой минерализацией питьевой воды и дефицитом микроэлементов в пище. Предложен и способ коррекции таких гиповитаминозов. Он связан с приемом витаминно-минеральных смесей или витаминизированных натуральных продуктов, так как было показано, что рафинированные витамины менее эффективны.
Третий синдром – это «синдром психоэмоционального напряжения», который характеризует особенности межсистемных взаимоотношений в организме человека, находящегося в состоянии тревожности. Последняя в острой стрессовой ситуации возникает как способ мобилизации защитных механизмов организма, а в с условиях хронического стресса – как донозологический синдром, приводящий к развитию неврозов, артериальной гипертонии, ишемической болезни сердца и другой психосоматической патологии.
Показана важная роль тревожности в повышении чувствительности человека к действиию гелиометеофакторов и изменений фотопериодики на Севере.
В институте проводятся исследования по влиянию техногенных загрязнений окружающей среды на здоровье населения. В экспериментах in vivo и in vitro раскрыты неизвестные ранее механизмы развития нарушений белкового, липопротеинового обмена, развития иммунодефицитов и гипербилирубинемии под действием основного компонента ракетного топлива (гептила) — несимметричного диметилгидразина. Показано, что механизм развития гипербилирубинемии связан с особенностями желчеобразования и желчевыделения в печени новорожденных животных. Одним из механизмов формирования иммунодефицитов под действием несимметричного диметилгидразина является подавление синтеза иммуноглобулинов G и M в иммунокомпетентных клетках.
Направление 2. Разработка методов коррекции нарушений обмена веществ, биохимических основ рационального питания и метаболизма ксенобиотиков с применением различных методов, в том числе и методов химического микроанализа
Анализ изменения метаболизма у человека в экстремальных условиях Севера привел к формированию иных представлений об адекватном и сбалансированном питании. Пищу следует отнести к важнейшим факторам эволюции. Особая роль пищи заключается в том, что она из внешнего фактора быстро превращается во внутренний, оказывая значительное влияние на обмен веществ. Сложившийся стереотип взаимоотношений между организмом и характером питания быстро меняется при перемещении человека из одной климатической зоны в другую. Это определяет принцип адекватности питания состоянию обмена веществ. В условиях «переключения энергетического обмена с углеводного типа на липидный» в пище необходимо увеличивать содержание белков и жиров, в том числе и полиненасыщенных жирных кислот, в то время как содержание углеводов должно снижаться. Соответственно изменяется соотношение водо- и жирорастворимых витаминов. Роль последних существенно возрастает. При действии на организм холода увеличиваются, соответственно, траты организма на теплопродукцию.
На основе полученных результатов были уточнены физиологические нормы потребности человека в пищевых веществах и энергии для различных климатических зон Востока страны, заложены теоретические основы рационального питания населения Сибири и Севера с учетом не только климатических, но и производственных факторов. Были разработаны и предложены для внедрения «антистрессовые рационы питания».
Направление 3. Изучение молекулярных механизмов межклеточных взаимодействий в норме и в условиях функционального напряжения гомеостатических систем с целью разработки методов управления пролиферативными, дистрофическими и регенераторными процессами
Открыто новое фундаментальное явление: участие резидентных макрофагов в регуляции экспрессии генов в паренхимных клетках органов и тканей и роли в этом механизме кооперативного эффекта ЛПВП и глюкокортикоидов. Установлено, что, захватывая продукты деградации клеток, макрофаги кооперативно поглощают ЛПВП3 и глюкокортикоиды. Во вторичных лизосомах этих клеток происходит дезинтеграция ЛПВП3 с освобождением аполипопротеинов. При этом, аполипопротеин A-I образует специфический комплекс с глюкокортикоидами, которые в макрофагах восстанавливаются с образованием тетрагидросоединений. В результате трансцитоза комплекс попадает в межклеточное пространство, рецептируется соматическими клетками и переносится в ядро, где он взаимодействует с депротеинизированными участками ДНК. В депротеинизации ДНК принимают участие лизосомальные протеиназы макрофагов, которые вместе с комплексом проникают в ядра соматических клеток. Апо A-I играет роль адресного переносчика глюкокортикоидов к сайтам связывания с ДНК, в то время как тетрагидрокортизол способствует разрыву водородных связей между парами азотистых оснований и подготавливает ДНК к взаимодействию с РНК-полимеразой. Это приводит к активации экспрессии генов и усилению биосинтеза белка в клетке. Данное открытие утверждено Международной ассоциацией авторов научных открытий. Оно лежит в основе многих явлений, природа которых до сих пор не раскрыта. Это такие явления, как физиологическая, восстановительная и репаративная регенерация тканей, пролиферация клеток и связанное с нею развитие онкопатологии, синтез иммуноглобулинов, старение и продолжительность нашей жизни.
Раскрыты новые молекулярные механизмы межклеточных взаимоотношений в системе макрофаг – опухолевая клетка, принимающие участие в регуляции экспрессии генов. Впервые показано, что опухолевые макрофаги участвуют в образовании биологически активного комплекса липопротеины высокой плотности — стероидный гормон (конечный продукт -тетрагидрокортизол-апоА-I), который значительно усиливает биосинтез белка и ДНК в опухолевых клетках. Это существенно увеличивает скорость клеточной пролиферации. Показано влияние аполипопротеина Е на экспрессию генов в гепатоцитах крыс, проявляющееся в конкурентных взаимоотношениях между аполипопротеином Е и комплексом тетрагидрокортизол -апоА-I. Образование апоЕ в опухолевых клетках снижено, что создает благоприятные условия для их пролиферации.
Направление 4. Изучение на основе методов молекулярной биологии и биотехнологии направленной регуляции активности генов, конструирование штаммов-продуцентов белков — регуляторов иммунной системы и гемопоэза, создание профилактических и лечебных средств, диагностических наборов и препаратов и осуществление их опытного производства
Исследования, проводимые на человеке, получили свое продолжение в эксперименте на животных. Это позволило раскрыть молекулярные механизмы ранее описанных явлений. В ГУ НИИ биохимии получили развитие работы в области молекулярной биологии, медицинской биотехнологии и генной инженерии.
Экспериментально показано, что в механизме развития «диабета напряжения» важную роль играют апо-B-содержащие липопротеины (ЛПНП и ЛПОНП). В организме они обладают выраженным контринсулярным действием. Содержание их в крови повышается в условиях стресса, отсюда и название — «диабет напряжения». Установлено, что в структуре аполипопротеина B существует эпитоп, схожий по структуре с сайтом связывания инсулина с его рецептором. Осуществлен синтез этого фрагмента аполипопротеина B и рецепторного участка инсулина. Получены на них специфические антитела и с помощью перекрестного иммунохимического взаимодействия показана их иммунологическая идентичность. В крови выявлены низкомолекулярные пептиды — фрагменты апо-B, обладающие аналогичными иммунохимическими характеристиками. Открытое новое явление позволит выяснить причины развития сосудистых осложнений при инсулинонезависимом сахарном диабете (ИНСД). С другой стороны, повышение в крови содержания ЛПНП и ЛПОНП у больных ИБС позволяет рассматривать их как важнейший фактор риска ИНСД. В свете этих представлений ИБС и ИНСД следует рассматривать как взаимообусловливающую патологию.
Диабет напряжения является также важнейшим фактором в механизме «переключения энергетического обмена с углеводного типа на липидный». Он лежит в основе усиления жиромобилизующего эффекта. Однако, на уровне клеточного звена регуляции энергетического обмена существенную роль играет адениннуклеотидтранслоказа (АНТ). Оказалось, что под влиянием аполипопротеина C, входящего в состав ЛПОНП, происходит трансформация АНТ из переносчика адениновых нуклеотидов в специфическую пору, повышающую протонную проницаемость внутренней мембраны митохондрии. Этот механизм позволяет обеспечить увеличение теплопродукции в организме при адаптации к холоду.
Вскрыт ряд факторов, приводящих к альтерации лизосомального аппарата клетки, которая может приводить к развитию цепного цитолитического процесса и глубоких дистрофических изменений в тканях. В условиях стресса к таким факторам, вызывающим повреждение лизосомальных мембран, относятся катехоламины и глюкокортикоиды. Впервые показано, что последние могут действовать на лизосомальный аппарат клеток через ß-адренорецепторы по цАМФ-зависимому механизму. Однако показано, что на гепатоцитах существуют и специфические для глюкокортикоидов рецепторы, встроенные в цитоплазматические мембраны. Влияние гормонов и липопротеинов на лизосомы может приводить к развитию жировой дегенерации тканей. Это направление научных исследований института является перспективным и нуждается в дальнейшем развитии.
В институте существует большой опыт по использованию липо(апо)протеинов для направленного транспорта биологически активных веществ в клетки. Уже выявлен широкий спектр соединений, способных связываться с липопротеинами различных классов плотности. Это стероидные гормоны, холестерин, тироксин, дигидроальпренолон, АТФ, цитохалазин и ряд других. Осуществлена эффективная посадка на липопротеиновый носитель некоторых гидрофильных лигандов, в частности, глюкозы и сахарозы. Впервые установлено, что в комплексообразовании липопротеин — лиганд принимают участие белковые компоненты (аполипопротеины). Показано наличие посадочных мест на липопротеине A-I для стероидных гормонов и тироксина. Это позволяет использовать липопротеины и их белковый компонент для направленного транспорта биологически активных веществ в клетку. Показана важная роль аполипопротеина B в связывании и транспорте липофильных ксенобиотиков.