Спортивная медицина: клеточные и генные технологии

Со времени возобновления проведения Олимпийских игр и становления разных видов спорта, то есть с начала 20 века, и учёные и врачи и сами спортсмены стали замечать, что многие физические показатели человека передаются от родителей к детям. Так, например, в 50% случаев дети выдающихся спортсменов обладают выраженными спортивными способностями; если оба родителя спортсмены, то в 70% случаев спортивные показатели наследуются по доминантному типу. У мужчин-спортсменов двигательные способности передаются по мужской линии, а выдающиеся спортсмены преимущественно являются младшими детьми в семьях из 2-3 детей.

Формирование, развитие и проявление таких качеств, как телосложение, сила, быстрота, выносливость, свойства нервной системы и т.д., в течение жизни подчинено сложной цепи взаимодействия как внутренних (генетических) факторов, так и внешнего влияния окружающей среды. В результате этого взаимодействия наследственные признаки могут проявляться полностью или частично, формируя различный фенотип. В ряде случаев сложно оценить, что вносит больший вклад в формирование признака — наследственность или среда. Поэтому следует говорить о наследовании определенной генетической предрасположенности к формированию различных физических качеств, развитие которых зависит от условий окружающей среды. При сходных условиях жизнедеятельности (питании, физических нагрузках, режиме и т.д.) у людей с различной генетической предрасположенностью физические качества формируются по-разному. Следовательно, выяснение генетической предрасположенности конкретных людей позволит значительно повысить эффективность отбора в спорте и судить о пределах физической работоспособности организма уже в раннем возрасте.

Основополагающие исследования в этой области начались без рекламы и шума примерно 20 лет тому назад. Так, доктор К.Бушар, который в настоящее время возглавляет Биомедицинский центр при Луизианском штатном университете, в те годы изучал проблемы ожирения, работая в Канаде. Он помещал испытуемых в так называемую метаболическую палату, где можно было следить за тем, что они ели и сколько калорий сжигали. А что если таким же образом изучать эффекты физических упражнений, предлагая людям тренироваться в лабораторной обстановке, где можно точно замерять количественные показатели их усилий?

Некоторые спортивные физиологи и тренеры раньше предполагали, что люди, утверждавшие, что они добросовестно упражняются, но объективно никогда не улучшавшие свои физические показатели — просто обманщики, а в лучшем случае — заблуждающиеся, не способные правильно оценить интенсивность своих тренировок. Доктор Бушар первым усомнился, что это так. «Я заинтересовался тогда этой проблемой, — говорит доктор Бушар, — потому что обнаружил большие различия между людьми, которые вели практически один и тот же малоподвижный образ жизни. Измерения показали, что у некоторых из них были очень неплохие сердечно-дыхательные показатели, тогда как другие были в ужасной физической форме. И я подумал, не в генетических ли различиях все дело?»

Первое исследование этого вопроса доктор К.Бушар и его сотрудники начали в 1982 году на мужчинах и женщинах в возрасте от 18 до 30 лет, которые всю свою жизнь вели сугубо сидячий образ жизни, но особенно не страдали от ожирения. «Мы задавали им много вопросов и измеряли их физическую активность на протяжении нескольких недель, месяцев и даже лет, — говорит доктор Бушар. — У всех у них была кабинетная работа. Они ездили на машинах и никогда не ходили пешком. Никогда не занимались никаким спортом». Через 20 недель после начала специальной тренировочной программы, в процессе которой этих людей заставляли тренироваться по 50 минут в день четыре дня в неделю на уровне 85% от их максимального сердечного ритма, исследователи сделали некоторые физиологические измерения и получили весьма интересные результаты. «Мы наблюдали большие различия в дыхательных функциях, в максимальном поглощении кислорода, в результатах биопсии мышечных и жировых тканей, — говорит доктор К.Бушар, подразумевая изменения в выносливости, в способности к интенсивным тренировкам, а также изменения в содержании жира и в размерах мышечных волокон различных типов. — У некоторых испытуемых физическая форма ничуть не улучшилась, зато у других она улучшилась на 50 и даже 60%». И это притом, что все участники эксперимента, находясь под строгим контролем, неукоснительно выполняли одни и те же указания исследователей. Через некоторое время доктор К.Бушар со своими сотрудниками повторил эти исследования на однояйцовых близнецах, и обнаружил, что близнецы всегда одинаково реагировали на физические тренировки и показывали после них одинаковые результаты.

В этой связи следует упомянуть работу доктора П.Томсона, врача-кардиолога из Хартфорда, штат Коннектикут (США). Будучи спортсменом-любителем, неоднократным участником марафонских забегов, доктор П.Томпсон, тем не менее, несмотря на все свои усилия, никогда не был в состоянии развить мышечную мускулатуру необходимой массы. Он объяснял этот факт наследственностью. «У некоторых людей растут мускулы, — смеется доктор Томпсон, — от одного хождения мимо зала, в котором занимаются тяжелой атлетикой. У других же, как не было мускулов, так и нет, хоть они надорвись, тренируясь со штангой».

Вместе с доктором Э.Гофманом, генетиком из Детского Национального Медицинского Центра в Вашингтоне и с некоторыми другими специалистами доктор Томпсон провел обширное исследование с участием 700 мужчин и 300 женщин, которые никогда раньше не занимались с грузами, но решили принять участие в эксперименте под наблюдением врачей. Они пытались нарастить свои бицепсы и трицепсы — двуглавые и треглавые мышцы, — но только на одной руке. Другая рука служила контролем для исследователей, изучавших генетические вариации, которыми можно объяснить восприимчивость индивидов к физическим тренировкам.

Хотя сила и размеры мускулов должны соответствовать друг другу, говорит доктор Гофман, между этими параметрами нет строгой и постоянной корреляции. Некоторые люди могут заметно нарастить мускулы, но сила их мало изменится, у других, наоборот, по внешнему виду мускулы почти не меняются, но сила их многократно растет. Иногда в результате тренировок растет и сила, и мускулы, в других случаях не меняется ни одно, ни другое.

Стремительные успехи в расшифровке генома человека значительно расширили диапазон исследований по выявлению генетической предрасположенности к выполнению мышечной деятельности различного характера и длительности. Одним из наиболее важных для спорта практических достижений молекулярной генетики является разработка методов ДНК-диагностики, позволяющих выявлять участки ДНК, ответственные за генетическую детерминацию определенных метаболических и функциональных признаков, и среди них — за развитие двигательной функции человека. На прошедших в 2000 г. семи крупных международных конгрессах и конференциях по спортивной науке, одной из основных проблем, привлекших внимание многих участников, было выявление связи между полиморфизмом отдельных генов и спортивными результатами.

Однако вернёмся на два года назад, когда в номере журнала Nature за май 1998 года, была опубликована статья молодого британского учёного Хью Монтгомери «Ген человека, ответственный за результативность физических упражнений». Монтгомери изучал полиморфизм в гене ангиотензин-конвертирующего фермента (АКФ) и его связь с ростом миокарда у армейских рекрутов при выполнении ими регулярных физических упражнений. Ангиотензин-конвертирующий фермент (АКФ) – это ключевой фермент ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой систем — важнейших гуморальных регуляторов артериального давления. Под действием АКФ происходит образование ангиотензина II — наиболее активного сосудосуживающего вещества и деградация брадикинина — важного сосудорасширяющего фактора. Ген АКФ существует в двух аллельных вариантах (I- и D-аллели), различающиеся по отсутствию (делеции, соответственно D-аллель) или наличию (инсерции, соответственно I-аллель) участка длиной 287 пар нуклеотидов шестнадцатом интроне, содержащем регуляторный элемент. На основании распределения I- и D-аллелей выделяют три генотипа II, ID и DD. Существует четкая зависимость между генотипом и активностью АКФ. Изменения активности АКФ вызывают соответствующие изменения концентрации ангиотензина II. В свою очередь, ангиотензин II является важнейшим регулятором гемодинамики и влияет на процессы синтеза структурных белков в кардиомиоцитах. Уровень АКФ в крови выше у носителей генотипа DD, чем у носителей II. Ранние исследования показали, что человек с генотипом II в 7-8 раз выносливее обладателя генотипа DD. В тоже время, человек с генотипом DD имеет более выраженные скоростные и взрывные показатели.

Надо отметить, что силовые виды спорта принципиально отличаются друг от друга. Необходимое качество штангиста – взрывная сила, гиревика – силовая выносливость, пауэрлифтера – абсолютная сила, культуриста – мышечный рост. Российские исследователи из Казани предположили, что генотипы различных групп спортсменов могут отличаться друг от друга. В ходе анализа, проведенного исследователями на 167 квалифицированных спортсменах по гену ангиотензин-конвертирующего фермента, было установлено, что гиревики несут преимущественно I-аллель (маркер выносливости), с частотой 0,6; а штангисты, пауэрлифтеры и культуристы D-аллель (маркер скорости, силы и мышечной массы), с частотой 0,71, 0,61 и 0,58 соответственно. Гиревики с генотипом II быстрее повышают свое спортивное мастерство по сравнению с обладателями генотипа DD и меньше их имеют какие-либо отклонения в сердечно-сосудистой системе. Известно, что лица с DD генотипом АКФ имеют повышенный риск развития инфаркта миокарда, ишемической и дилатационной кардиомиопатии; у них также чаще встречается гипертрофия миокарда. Поэтому, потенциальным штангистам, и вообще, спринтерам, то есть носителям генотипа DD, нежелательно заниматься гиревым спортом и другими видами, где требуется повышенная выносливость (бег на длинные дистанции, лыжные гонки и др.), так как такие нагрузки будут неблагоприятно сказываться на состоянии сердечно-сосудистой системы. С другой стороны, для тяжелой атлетики, пауэрлифтинга, культуризма и бега на короткие дистанции наиболее благоприятен генотип DD, который способствует повышенным показателям скорости и мышечного роста.

Кроме гена АКФ, позже были обнаружены и другие значимые гены, полиморфизмы которых ассоциируются с физической деятельностью у спортсменов, такие как ген альфа-актинина-3 (ACTN3), ген АМФ-дезаминазы (AMPD1), ген альфа-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PPARA), ген 1-альфа-коактиватора гамма-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PGC1A) и ген фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). К началу 2008 г. обнаружено около 30 генов, которые исследователи связывают с успехами в спортивной деятельности. Альфа актинины – это семейство актин связывающих белков, выполняющий в организме ряд важных функций. У людей есть два гена, кодирующих альфа-актинины скелетных мышц: ACTN2, который экспрессируется во всех типах мышечных волокон, и ACTN3, экспрессия которого ограничивается только быстрыми волокнами скелетной мускулатуры. В скелетных мышцах aльфа-актинины-2 и -3 относятся к главным компонентам Z-дисков, где они связывают тонкие актиновые филаменты. Эти белки выполняют статическую функцию в организации тонких филаментов и взаимодействии между саркомерным цитоскелетом и саркоплазмой, тем самым обеспечивая упорядочение массива миофибрилл. Изоформы a-актининов в скелетных мышцах кроме статической выполняют и регуляторную функцию, принимая участие в сокращении миофибрилл. Дефицит aльфа -актинина-3 в быстрых мышечных волокнах может снижать скоростно-силовые показатели физической работоспособности человека. Причиной такого недостатка ACTN3 у человека является однонуклеотидная за-мена цитозина на тимин в 577-м нуклеотиде кодирующей последовательности, который находится в 16-й экзоне. В результате этого кодон, кодирующий аминокислоту аргинин, превращается в стоп-кодон и останавливается синтез полипептидной цепи белка альфа актинина-3. Наличие полиморфизма в гене ACTN3 позволяет выявить три генотипа: RR-гомозиготы по нормальному аллелю, RX-гетерозиготы, XX-гомозиготы по мутантному аллелю. Около 16% мировой популяции гомозиготны по X-аллелю, и их мышцы не содержат белка aльфа актинин-3. Однако патологии мышц у таких людей не наблюдается, так как aльфа актинин-2 компенсирует его отсутствие в Z-дисках быстрых мышечных волокон. Вместе с тем наличие 577R аллеля, свидетельствующего о присутствии в скелетных мышцах белка a-актинина-3, дает индивидуумам преимущество в проявлении скоростно-силовых физических качеств. Таким образом, высоких спортивных результатов в скоростно-силовых видах спорта добиваются спортсмены, имеющие генотипы RR и RX гена ACTN3, тогда как спортсмены с генотипом ХХ будут существенно ограничены в достижении высоких спортивных результатов.

Частоты мутантного генотипа XX варьирует в различных популяциях: у жителей Азии она равна 25%, у европейцев около 18%, а в африканском племени Банту менее 1 %. Замечено, что спортсмены из Африки многие годы доминируют в беге на длинные дистанции. В связи с этим в Университете Глазго (Шотландия) был создан Центр по изучению феномена кенийских и эфиопских бегунов. Исследователи склонны связывать их успехи в частности с полиморфизмом в гене ACTN3.

В одном исследовании с участием 486 российских атлетов ученые определяли частоты встречаемости определенных аллелей гена ACTN3. Среди профессиональных спортсменов международного класса частота встречаемости мутантного гомозиготного фенотипа ACTN3 XX (3.4%) была минимальной по сравнению с контрольной группой обычных людей, не занимающихся спортом профессионально. Это подтверждает гипотезу о том, что присутствие гена альфа актинина 3 оказывает положительный эффект на сокращение быстрой красной скелетной мышц.

Недавно было обнаружено, что ИФР-1 (инсулиноподобный фактор роста) является сильным анаболическим гормоном, увеличивающим мышечную массу. В организме человека ИФР-1 синтезируется в печени. Действие ИФР-1 обусловлено его связыванием с рецептором, который расположен на поверхности клеток многих типов. После связывания с рецептором, запускается аденилатциклазный сигнальный путь, стимулирующий рост и пролиферацию клеток, и ингибирующий запрограммированную клеточную гибель. ИФР-1 стимулирует выработку соматотропина (анаболического гормона роста человека), который оказывает соответствующее действие на каждую клетку тела, особенно на скелетную мускулатуру, хрящи, кости, гемопоэтические клетки, печень, почки, нервы, кожу и легкие. Известно, что недостаток гормона роста или недостаток ИФР-1 приводит к низкому росту тела.

Организм вырабатывает ИФР-1 в очень небольшом количестве, однако под воздействием синтетического гормона роста уровень его синтеза возрастает. Поэтому, еще одной тенденцией, имеющей несомненные перспективы на будущее, является использование рекомбинантного ИФР-1. В настоящее время этот препарат пытаются получить методами генной инженерии. Лабораторные работы близки к завершению и в ближайшем будущем он появится в продаже в США.

При введении лабораторным мышам искусственно созданного генетического вектора, содержащего ген ИФР-1, исследователи наблюдали поразительный эффект. «Мы дали им прозвище мыши-Шварценеггеры», — рассказывает профессор Н.Розенталь, курирующая программу Гарвардской школы медицины. Грызуны беспрерывно двигались по клетке и были способны втаскивать на лесенку груз, в три раза превышающий их собственный вес. Как считают ученые, применение подобной методики на людях позволит спортсменам быстро наращивать мышечную массу и резко повысить выносливость организма, не прибегая к широко распространенным в настоящее время фармакологическим препаратам. «Я убежден: если эксперименты с мышами удались, то до опытов на человеке осталось совсем немного, — уверяет Б.Солтин, входящий в руководство Всемирного антидопингового агентства. — Если ученые захотят сотрудничать со спортсменами, желающих окажется немало». То, что Б.Солтина это беспокоит, понятно: генная инженерия максимально усложняет задачу борцов с допингом, поскольку требует невероятно сложных и дорогостоящих анализов мышечных волокон спортсмена.

Генотерапия — это введение в геном клетки новых генетических программ, с целью устранения дефекта собственных генов. Так, например, если человеку с неработающим геном инсулина ввести генетическую конструкцию, содержащую нормальный ген, то синтез этого гормона будет восстановлен. Однако, встаёт проблема эффективной и безопасной доставки такой конструкции именно в те клетки, в которые нужно. Если это делать, просто вводя в кровь или ткани генетические конструкции, в клетки проникает лишь ничтожная часть материала. Есть способ, позволяющий очень эффективно вводить генетический материал в клетки — с помощью вирусов, которые в ходе эволюции приобрели способность эффективно встраивать свои гены в геном человека. Но вирусы вызывают иммунный ответ, а главное — они могут «встраивать» ген в любые участки человеческого генома и потенциально несут угрозу нарушения регуляции клеточных генов и превращения нормальных клеток в злокачественные. Таким образом, сегодня классические подходы генотерапии не готовы для применения, даже для решения простейших задач.

Однако в последнее время появились реальные надежды на скорое внедрение генотерапии в практику — путем комбинации ее методов с техникой стволовых клеток. Стволовые клетки могут делиться и размножаться неограниченное количество раз, т.е. они практически бессмертны. Во-вторых, они — клетки-предшественники, изначально не имеющие специализации, но способные в процессе деления дать специализированных потомков — клетки определенных видов.

Таким образом, из первоначально неспециализированных стволовых клеток можно растить клетки любых органов, причем вне организма, в биореакторах, в больших количествах. Техника работы со стволовыми клетками позволяет снять проблему доставки генов. Можно взять стволовые клетки у пациента, провести с ними необходимые манипуляции и ввести в них нужные гены вне организма — пусть с низкой эффективностью, зато безопасно. А дальше — отобрать и размножить полученные клетки с нужными свойствами в необходимом количестве, а затем ввести их пациенту. Перед этим можно заранее запрограммировать их на превращение в клетки требуемой ткани.

А теперь о допинге, о введении спортсменам генов, продуцирующих «внутренние» биологически активные вещества, которые могут повысить возможности спортсменов. Возможно ли использовать технологии генотерапии с такими целями? По словам директора Института биоорганической химии и медицины СО РАН академика Валентина Викторовича Власова, конечно, да, особенно если не задумываться о том, что будет впоследствии со спортсменами.

«Работающий в клетках организма ген – это надолго или навсегда», — говорит Валентин Викторович. «Повышенная продукция даже безобидного, “родного” биологически активного вещества в организме неминуемо затронет регуляторные системы, следящие за балансом биологически активных веществ в крови. Предсказать долговременные последствия таких вмешательств — трудная задача».

Выявить наличие введённого в организм спортсмена гена задача на сегодня действительно не простая. Однако, лишь только потому, что на сегодняшний день достоверно не известно фактов применения такого допинга. Но как только, выяснится, что новый допинг начал использоваться, то метод детекции будет, несомненно, найден. Теоретически он представляется, как отслеживание в крови или мышечных тканях уровня экспрессии продуктов генов – возможных кандидатов (например, генов АКФ, ACTN3, ИФР-1 и др.). При обнаружении превышения уровнем продукции нормы, необходимо будет провести детальное исследование генома такого спортсмена, и генные модификации будут обнаружены. На данном этапе развития биологии выполнить такой тест это дело нескольких дней и немалого количества денег, однако, наблюдая темпы развития науки в целом, можно с уверенностью сказать, что уже через несколько лет активных разработок этот тест станет недорогим экспресс методом.

Спорт сегодня, особенно в состязательных его видах на время, становится борьбой за десятые и сотые доли секунды. Находясь на пределе человеческих возможностей, спортсмены, неминуемо используют различные средства, улучшающие их физическое состояние. Вопрос один – где заканчивается медицина и начинается допинг? Ясно, что при лечении травм мышц, связок использование данных методик будут многократно эффективнее любых известных препаратов по заживлению. Однако, под благовидным предлогом данные протоколы могут быть использованы как допинг, т.к. до 150 генов человека связаны с получением спортивных показателей. Остаётся надеяться только на личную совесть и честный соревновательный дух сегодняшних спортсменов и спортсменов будущего.

Смолянинов А.Б.,

Хрупина А.А.,

Котелевская Е.А.

Покровский банк стволовых клеток, Санкт-Петербург

Литература

1. http://.medlinks.ru/article.php?sid=17227
2. http://ru.wikipedia.org
3.  В.А. Рогозкин, Астратенкова И.В. Гены-маркеры предрасположенности к ско-ростно – силовым видам спорта// Теор. и практ. Физ. Культуры// — №1. — 2005.
4. H. E. Montgomery, R. Marshall, H. Hemingway. Human gene for physical perfor-mance/ Nature// 393, 221-222 (21 May 1998)
5. Bouchard Claude.; Dionne F. T. Genetics of Aerobic and Anaerobic Performances/ Exercise and Sport Sciences Reviews// Jan. 1992, Vol. 20, Issue 1 — ppg 27-58.
6. http://fatalenergy.com.ru/Book/a_s_filips/15.php
7. http://ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?Db=gene&Cmd=ShowDetailView&TermToSearch=89
8. http://lib.sportedu.ru