Коровы в медицине

Коровы, а более научно — домашние быки Bos taurus taurus, внесли немалый вклад в развитие цивилизации. И речь тут не только о молоке, мясе или кожаной одежде. Крупный рогатый скот так или иначе помог уничтожить одно из самых некогда распространенных заболеваний — натуральную оспу, а также продлил жизнь тысячам диабетиков и пациентам с больным сердцем.

Коровам посвящено множество мифов, как древних, так и современных. Скажем, именно бык украл Европу. А в Индии коров не просто почитают — им посвящен целый научный журнал. Он так и называется — «International Journal of Cow Science», издает его Ассоциация коровотерапии (Cow Therapy Society). Ряд ученых активно исследует противораковые свойства коровьей мочи («Anti-Cancer Activity of Cow Urine Current Status and Future Directions», «International Journal of Cow Science», 2005, 1(2), 1—25), и, хотя к доказательной базе этих работ легко придраться, нельзя отрицать, что крупные копытные, о которых пойдет рассказ, и впрямь спасли немало жизней.

Фото: Arctic Wolf / flickr.com

Первая вакцина

Пожалуй, самый известный вклад коров в здоровье человечества — это вакцины, в частности вакцина против натуральной оспы. В конце XVIII века британский врач и член Королевского общества Эдвард Дженнер заметил, что у доярок, в отличие от их односельчан, руки не покрыты оспинами, и сделал предположение, что защиту от человеческой формы заболевания им обеспечивают контакты с животными, зараженными коровьей оспой.

Дженнер считал натуральную и коровью оспу разновидностями одной и той же болезни. Вероятно, поэтому ему пришло в голову втереть в надрезы на руке здорового мальчика измельченные пустулы с кожи доярки, инфицированной коровьей оспой. До этого подобную процедуру (вариоляцию) уже проводили в Великобритании и ряде других стран, только использовали пустулы зараженных натуральной оспой, а не коровьей. Смертность от такой процедуры была высока (до нескольких процентов), хотя и существенно ниже, чем при непреднамеренном заражении. Использование материала от больных коровьей оспой позволило снизить вероятность печального исхода.

Ну а жизни того первого привитого мальчика ничто не угрожало: после вакцинации он переболел коровьей оспой в легкой форме. Через некоторое время после окончательного выздоровления ему ввели фрагменты пустул от больной натуральной оспой. Поскольку мальчик уже имел иммунитет к похожей болезни, «человеческая» оспа у него не развилась.

Сейчас ясно, что коровья и натуральная оспа — не одно заболевание, а два: они вызываются разными вирусами, хотя и близкородственными. Дженнер не мог этого знать, поскольку в конце XVIII века ни у кого еще не было представления о вирусах. Тем не менее это не помешало ему сделать правильные выводы на основании наблюдений и разработать первую в истории человечества эффективную вакцину.

Вообще, слова «вакцинация», «вакцина» и другие однокоренные им происходят от латинского vacca — корова.

Мальчика по имени Джеймс Фиппс инфицировали коровьей оспой от доярки Сары Нельмс. Он перенес болезнь в легкой форме и приобрел иммуннитет к натуральной оспе.

Инсулин и другие белки

И коровы, и люди — млекопитающие, поэтому последовательности аминокислот в их белках весьма сходны. Особенно это касается ключевых для работы организма соединений, таких как инсулин. Его важность для метаболизма и роль в обмене глюкозы стали очевидны в 1921 году, когда этот белок удалось выделить из клеток поджелудочной железы и очистить. Канадец Фредерик Бантинг и шотландец Джон Маклеод стали лауреатами Нобелевской премии в 1923 году именно благодаря тому, что поняли всю важность инсулина (о том, как собаки помогли открыть роль поджелудочной железы и образуемого ей инсулина в развитии диабета, «Химия и жизнь» писала в №1 за 2017 год). От момента их открытия до присуждения премии прошло рекордно малое время — всего два года.

Введение инсулина больным сахарным диабетом очень быстро вошло в медицинскую практику и позволило значительно продлить жизни пациентов. Гормон нужно было получать в промышленных масштабах, а поскольку аминокислотные последовательности тогда еще не умели расшифровывать, да и синтез нужных веществ в клетках бактерий, в которые внедрили определенные гены, тоже разработан не был, несколько десятилетий приходилось выделять инсулин из поджелудочных желез коров и свиней.

Именно бычий инсулин стал первым белком, для которого установили аминокислотную последовательность (еще говорят «секвенировали»). Сделал это Фредерик Сенгер в 1951—1955 годах: молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, и сначала он секвенировал одну цепь, на следующий год — вторую, а еще через три года установил, как эти цепи соединяются друг с другом (см. «Genetics», 2002, 162, 2, 527—532, полный текст; обратите внимание, что большую часть этой работы Сенгер выполнил еще до открытия структуры ДНК). До его исследования считалось, что молекулы белков в каком-то смысле аморфные, неупорядоченные. Наличие строго заданной последовательности аминокислот в инсулине показало, что эти представления были ошибочными. Сенгер стал нобелевским лауреатом благодаря бычьему инсулину в 1958 году. Вторую Нобелевскую премию по химии, 22 года спустя, ему принесли не белки, а ДНК и РНК — точнее, разработанный им совместно с коллегами способ секвенирования этих молекул.

После того как Сенгер установил структуру бычьего инсулина, другие исследовательские коллективы определили последовательности аминокислот в молекулах инсулина других животных. Оказалось, что состав бычьего инсулина всего на три аминокислоты отличается от такового у человека. Аналогичный гормон свиньи еще более похож на наш: разница всего в одну аминокислоту. На гормоны животного происхождения у человека может развиться аллергическая реакция, причем вероятность ее проявления в ответ на бычий инсулин выше, чем на свиной. Поэтому хотя получаемые от коров и свиней белки продлили немало жизней диабетиков, сейчас их в большинстве случаев заменил инсулин, состав которого идентичен человеческому. Это продукт биотехнологий — его вырабатывают бактерии с соответствующим геном.

Но не одним бычьим инсулином живы биология и фармакология. Ряд других белков, выделенных из органов коров, широко используется в биохимических исследованиях. В частности, бычий сывороточный альбумин (БСА) — пожалуй, наиболее изученный белок плазмы крови. Он служит эталоном во многих исследованиях, например когда надо вычислить молекулярную массу других белков или определить, как поменялся иммунный ответ организма на антиген под действием конкретного фактора.

Клапаны сердца

Коровы, как и свиньи, похожи на человека не только в плане структуры белков. Строение их органов практически такое же, как и у нас, да и размеры их очень близки. Поэтому возникла идея — пересаживать клапаны сердца от коров и свиней людям. Такая операция может понадобиться, если у пациента воспаление внутренней оболочки сердца или стеноз (сужение) просвета, в котором этот клапан находится.

В зависимости от возраста больного используют механические либо биологические протезы. У механических срок службы дольше, они почти наверняка не потребуют замены несколько десятилетий, поэтому их в основном ставят молодым пациентам. С другой стороны, тем, у кого они установлены, как правило, нужно принимать средства против свертывания крови — антикоагулянты. Дело в том, что образование сгустка крови вблизи механического клапана может затруднить его работу.

Людям после семидесяти рекомендуют устанавливать клапаны из коровьих или свиных сердец. (Довольно часто используют не сами клапаны, а фрагменты соединительнотканной оболочки сердца — перикарда, укрепленные металлическим каркасом.) Биологические протезы менее устойчивы к износу, чем механические, их ткани со временем кальцифицируются и деградируют. Срок их службы — 10 — 15, максимум 20 лет, после чего требуется операция по вживлению нового клапана. Даже если это будет не открытая операция на сердце и клапан введут через одну из крупных вен с помощью катетера, делать это лишний раз нежелательно. Поэтому такие клапаны, как правило, предлагают тем, кому замена, скорее всего, уже не понадобится в силу пожилого возраста. Зато биологические протезы не требуют постоянного приема антикоагулянтов. И это хорошо, ведь такие средства повышают риск кровотечений, в том числе внутренних.

Ну а клапаны, полученные от людей-доноров, применяют редко — хотя бы потому, что их сложнее достать, учитывая, какой процент людей погибает именно из-за проблем с сердцем.

Интересно, что первый протез клапана сердца (1952) был механическим. Казалось бы, развитие технологий должно привести к повышению доли трансплантированных механических клапанов, однако вышло наоборот. Сейчас искусственные клапаны, полученные из ткани перикарда коров и свиней, используют чаще всего, притом метаанализы показывают, что коровьи имплантаты надежнее, чем свиные («Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery», 2013, 3, 361—373). Судя по всему, соотношение пользы и рисков от имплантации биологических протезов выше, чем в случае механических. Быть может, дело еще ив том, что в замене сердечных клапанов чаще нуждаются пожилые люди, а им предпочитают имплантировать именно биологические протезы.

P.S. Недавно коровы дали людям еще одну медицинскую надежду. Клетки крови этих животных научили производить вещество, которое провоцирует выработку антител против ВИЧ, блокирующих распространение этого вируса («Nature», 2017, doi: 10.1038/nature23301). Это вещество было сконструировано специально, оно имитирует один из белков внешней оболочки ВИЧ. Если с помощью того же соединения или его модификаций удастся вызвать образование похожих антител у людей, вакцина против СПИД сможет стать реальностью.