10 месяцев назад
Нету коментариев

Н. М. ЭМАНУЭЛЬ,

академик, лауреат Ленинской премии

На современном этапе развития естествознания все более явными становятся два причинно обусловленных процесса — дифференциация и интеграция отдельных наук. Дифференциация разделение наук — обуслов­лена прогрессом каждой из наук, совершенствованием методов исследования, возрастанием количества инфор­мации, расширением сфер практического применения достижений фундаментальных исследований. Диффе­ренциация усиливает специализацию отдельных наук по более или менее узким разделам, приводит к созданию новых научных направлений, способствует возникнове­нию новых смежных отраслей, лежащих на стыке уже существующих наук, содействует проникновению мето­дов и представлений одних наук в другие. Интегра­ция — объединение отдельных наук — основана на воз­никновении крупных обобщающих научных теорий, ба­зирующихся на достижениях каждой из наук, охваты­вающих всю сумму знаний, накопленных отдельными науками, способствует систематизации знаний. Эти два процесса — интеграция и дифференциация наук — тес­но связаны друг с другом и обусловливают друг друга,

В XX веке основной тенденцией в развитии химии стало тесное ее взаимодействие с другими фундамен­тальными науками — математикой, физикой и биоло­гией, образование новых разделов химии «на стыках наук».

Известно, что до середины прошлого столетия в хи­мии, как и в естествознании вообще отрицалось, по су­ществу, изменение, развитие. «Природа вообще, — пи­сал Ф. Энгельс, — не представлялась тогда чем-то исто­рически развивающимся, имеющим свою историю во времени. Внимание обращалось только на протяжение в пространстве; различные формы группировались ис­следователями не одна за другой, а лишь одна подле другой…». А ведь все процессы в природе закономерно развиваются во времени, т. е. все в природе изменя­ется.

Химия изучает химическую форму движения мате­рии, которая охватывает внутреннее движение тел, спо­собное привести к качественным изменениям, и сам про­цесс качественных изменений и внутреннего движения тел.

Биология изучает биологическую форму движения материи. Однако биологические процессы подчиняются также физическим и химическим закономерностям. Су­ществуют общие закономерности, с помощью которых можно количественно описать развитие не только хими­ческих или физических процессов, но и биологических. Поэтому уже многие годы триумвират — биологи, физи­ки и химики — плодотворно работает в области есте­ствознания.

Почему же химики и физики так настойчиво стре­мились в биологию? Дело в том, что биохимические про­цессы осуществляются с участием тех же частиц, что и химические процессы. Это — молекулы, ионы, свобод­ные радикалы и комплексы. Поэтому у экспериментато­ров появилась возможность вмешательства в биоло­гические процессы с помощью тех же агентов, которые участвуют в химическом процессе. Естественно, биоло­гические процессы, биологические формы движения ма­терии принципиально отличаются от химических форм материи. Например, только биологическим объектам свойственны размножение и обмен веществ. Однако в основе этих процессов лежат молекулярные механизмы, которые подчиняются законам физики и химии.

Кроме того, все процессы в биологии закономерно развиваются во времени. Поэтому они могут служить объектом изучения кинетики — науки о развитии про­цессов во времени.

Функционирование живого организма с точки зрения химии можно рассматривать как. осуществление слож­нейшей совокупности сопряженных химических превра­щений, протекающих под действием и при участии мно­жества инициирующих, катализирующих, ингибирующих и регулирующих эти процессы химических и физических факторов. Это открывает обоснованные перспективы по­знания жизненных процессов и управления ими, делает возможным применение методов й представлений, свойственных химии, физике и математике, в биологических и медицинских исследованиях.

Кинетические исследования приобретают важное значение во многих областях естествознания. Если фи­зическая и химическая кинетика уже реально оформи­лись в самостоятельные научные дисциплины, то кине­тика биологических процессов еще находится на на­чальных этапах становления. Между тем знание молеку­лярного механизма и объективных количественных зако­номерностей развития биологических процессов во вре­мени — необходимое условие дальнейшего прогресса в биологии и медицине.

За последние два десятилетия эти положения стали настолько очевидными, что сейчас в ряде стран мира ученые различных специальностей — математики, фи­зики, химики, биологи и врачи — работают совместно над решением биологических и медицинских проблем.

Рак, несомненно, относится к числу проблем, кото­рые привлекают внимание человечества, и каждое но­вое достижение в этой области — весьма существенно.

В 1957 г. в Секторе кинетики химических и биологи­ческих процессов Института химической физики АН СССР были начаты систематические исследования кине­тических закономерностей и молекулярных (главным об­разом свободно-радикальных) механизмов злокачествен­ного роста, а также поиски рациональных принципов подхода к созданию эффективных противоопухолевых препаратов. Эти вопросы разрабатываются коллективом сотрудников Сектора и в настоящее время. Многочис­ленные экспериментальные исследования кинетики и ме­ханизма опухолевого роста привели к результатам, имеющим не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку некоторые из предложенных Секто­ром химиотерапевтических препаратов нашли примене­ние в клинике.

Кинетические кривые — наиболее распространенная форма представления результатов кинетических иссле­дований. В биологии и медицине наряду с терминами «кинетика» и «кинетическая кривая» часто пользуются одним общим термином «динамика». Кинетическая кри­вая — это графическое изображение изменения некото­рой величины Fхарактеризующей развитие процесса во времени. При этом под величиной F понимают любое свойство рассматриваемой системы, которое может быть измерено, а результат измерения представлен в виде числа для каждого заданного момента времени.

При построении кинетических кривых используют величины, имеющие различную математическую приро­ду. Некоторые из них изменяются во времени непрерыв­но, другие — только дискретно. Например, примени­тельно к развитию опухоли непрерывно изменяющимися величинами могут быть объем или диаметр, площадь или вес опухоли, а дискретной функцией — изменение числа опухолевых клеток. В большинстве исследований кинетические кривые получают в результате статистиче­ской обработки экспериментальных данных. Для изуче­ния развития опухоли, как правило, берут не одно жи­вотное, а группу и усредняют полученные результаты. Это позволяет построить вероятностную математиче­скую модель опухолевого процесса, а затем разработать количественные и объективные методы оценки эффек­тивности противоопухолевых средств в эксперименте и клинике, контроля за лечением больных.

Рассмотрим кинетическую кривую роста гипотетиче­ской опухоли. По горизонтальной, оси отложено время, по вертикали — размер опухоли (рис. 1).

Кинетическая кривая роста гипотетической опухоли

Кинетическая кривая роста гипотетической опухоли

Рост этой опухоли можно описать экспоненциальной функцией

где F0 — величина, характеризующая развитие опухоли, в начальный момент времени, t — время, φ — удельная скорость роста опухоли.

Для того чтобы оценить эффективность того или ино­го терапевтического воздействия, нужно сравнить кине­тические кривые для контрольной группы животных (к которым лечения не применяют) и подопытной группы.

Если рост опухолей как в контроле, так и в опыте происходит по экспоненциальному закону, за меру эф­фективности противоопухолевого воздействия можно принять отношение

Эта величина показывает, во сколько раз медленнее или быстрее развивается процесс в опыте по сравнению а контролем, т. е. позволяет определить эффективность хи­миотерапевтического препарата.

За последние годы в нашем институте с помощью этого метода были изучены закономерности роста, боль­шого числа опухолей животных и человека. Это позво­лило отобрать ряд препаратов, эффективно тормозящих рост злокачественных опухолей.

В Институте химической физики созданы противо­опухолевые препараты, относящиеся к новым классам химических соединений. Прежде всего следует упомя­нуть дибунол, который применяют для лечения рака мочевого пузыря, циститов, а также лучевых ожогов. Этот препарат относится к классу малотоксичных анти­оксидантов, является аналогом природных биоантиокси­дантов. В настоящее время его производит Министер­ство медицинской промышленности СССР. Лечение рака мочевого пузыря дибунолом (30-дневный курс) в 60 раз дешевле, чем лечение антибиотиками. Работа коллекти­ва ученых, практических врачей и производственников была в 1981 г. отмечена премией Совета Министров СССР. Второй препарат, нитрозометилмочевина, приме­няется для лечения некоторых форм рака легкого и лимфогрануломатоза с хорошим эффектом. Этот препарат применяется в других странах, в частности, в Югосла­вии. Выявление эффективности этих препаратов полно­стью обязано кинетическим исследованиям.

В работах по созданию новых противоопухолевых Средств успешно применяется такой теоретический раз­дел химии, как квантовая химия, играющая важную роль в решении задач определения строения веществ и установления связи между их строением и свойствами. Разработаны соответствующие методы, помогающие оп­ределять оптимальную химическую структуру вещества, необходимого для достижения наибольшей эффективно­сти его действия.

Исключительное значение имеет ранняя диагностика рака. Здесь весьма перспективно изучение разного рода биохимических и биофизических сдвигов, которые сопро­вождают развитие опухоли в тех или иных органах. На­пример, изменение парамагнитных свойств опухолевых тканей изучают методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), открытого в 1944 г. Этот метод позво­ляет обнаружить и идентифицировать так называемые Парамагнитные частицы — свободные радикалы и раз­личные комплексы, изучать воздействие различных хи­мических и физических факторов на живой организм, фиксировать отклонения, своеобразные «бури», возни­кающие при этих воздействиях и т. д. Так физика втор­гается в изучение биохимических процессов, происходя­щих в живых организмах.

Один из насущных вопросов в проблеме рака — про­филактика. Общеизвестно, что лечить рак все еще труд­но, и поэтому поиски методов его профилактики чрез­вычайно актуальны. Оказалось, что существует возмож­ность защиты организма против действия некоторых сильных химических канцерогенов. В частности, изучен Молекулярный механизм защиты от такого сильного кан­церогена, как диметиламиноазобензол. При введении в пищу животным одновременно канцерогена и дибунола ни у одного подопытного животного опухоли печени не Возникает. По-видимому, следует развивать исследова­ния методов профилактики рака путем применения син­тетических биоантиоксидантов.

Несомненно, прогресс в области создания новых эф­фективных противоопухолевых препаратов тесно связан С достижениями фундаментальных наук: биологии, хи­мии, физики и математики. Придание этой области ме­дицины количественной строгости и дальнейшее внедре­ние в нее физических методов несомненно будет способствовать победе в борьбе с злокачественными новообра­зованиями.

Старение живых организмов представляет собой наи­более драматическую закономерность среди явлений природы. Процесс старения по самому своему смыслу есть процесс, протекающий во времени, и, следователь­но, он с полным основанием становится предметом кине­тических исследований. В последнее время был проведен строгий кинетический анализ закономерностей выжива­емости и эффекта увеличения продолжительности жизни в эксперименте. При этом свойства геропротектора (ве­щества, замедляющего процесс старения) были обнару­жены у одного из малотоксичных ингибиторов ради­кальных процессов, получившего лабораторное название «эпигпд» (хлоргидрат 2-этил-6-метил-3-оксипиридина).

На рис. 2 показан эффект замедления процесса ста­рения лабораторных мышей, начавших получать геро­протектор в возрасте 8 месяцев. Средняя продолжи­тельность жизни животных увеличилась с 15 до 19 ме­сяцев, т. е. на 27%, а максимальная продолжительность жизни возросла более чем на 10 месяцев, т. е. на 50%. Использование статистического «пробит»-метода позво­ляет преобразовать кинетические кривые выживаемости в так называемые линейные анаморфозы, приведенные на рисунке. Наклон прямых характеризует среднюю ско­рость процесса старения. Эта величина для контрольной группы животных (1) составляет 8,7% (смертность в месяц), для подопытной (2) — 4,8%, т. е. геропротек­тор замедляет процесс старения примерно вдвое. Умень­шение скорости старения проявляется примерно спустя полгода после начала опыта, о чем свидетельствует из­лом линии 2, приходящийся на возраст 14—15 месяцев.

Влияние на длительность жизни мышей введения в пищу ингибитора радикальных реакций...

Влияние на длительность жизни мышей введения в пищу ингибитора радикальных реакций…

Это очень интересное кинетическое направление ис­следований в столь волнующей всех людей области, как поиски путей увеличения продолжительности активной жизни. В данном случае речь идет лишь об эксперимен­тальных исследованиях. Однако, видимо, нет принци­пиальных трудностей на пути разработки эффективных геропротекторов для человека.

Кинетические исследования в биологии, таким обра­зом, позволяют количественно описывать развитие био­логических процессов, влияние на них различных фак­торов, разрабатывать объективные критерии для оценки эффективности воздействий, стимулирующих положи­тельные и тормозящих нежелательные изменения. Мате­матическое описание кинетических закономерностей дает возможность определить различные параметры, которые могут быть использованы для моделирования исследу­емых процессов и их анализа средствами современной вычислительной техники.

Уже сейчас, нам известно много примеров, когда зна­ние кинетики и детального механизма привело к созна­тельному управлению химическим и биологическим про­цессом. В химии это приводит к созданию новых высо­коэффективных технологических процессов, к разработ­ке новых принципов торможения нежелательных процессов (например, подавление окислительных реакций в смазочных маслах, полимерах, пищевых продуктах, ле­карственных препаратах), к развитию приемов, стимулирующих воздействия химических и физических аген­тов на ход химического превращения и т. п. В биологии и медицине это открывает новые возможности раци­онального выбора способов лечения, контроля за ходом лечения и т. п.

Методологически полностью обоснованный кинетиче­ский подход к изучению явлений природы оказывается исключительно эффективным.