Использование почвенных червей в лечебной практике с целью терапии различных заболеваний имеет давнюю историю и было широко распространено в традиционной медицине. Экстракты из червей различных видов применяли при аллергических и астматических состояниях, для снижения артериального давления и детоксикации организма, а также в качестве средств с антитромботической, жаропонижающей, диуретической и спазмолитической активностью [1]. Развитие современных методов биохимического и фармакологического анализа позволило перевести эти эмпирические наблюдения в плоскость систематических исследований и целенаправленно выделять биологически активные соединения животного происхождения. Например, в 1992 г. из гомогената тканей дождевых червей был выделен гликопротеин G90, который обладает тромболитическими и противоопухолевыми свойствами. Комплекс фибринолитических ферментов люмброкиназа, источником которого служат также дождевые черви, применяют в качестве пищевой добавки для поддержания работы сердечно-сосудистой системы, поскольку он способен улучшать кровообращение и рассасывать тромбы [1]. Помимо ферментных комплексов, перспективным направлением является разработка заменителей крови на основе эритрокруорина — внеклеточного молекулярного комплекса, являющегося функциональным аналогом гемоглобина, выделенного из кольчатых червей [2]. Эритрокруорин рассматривают как потенциальный переносчик кислорода нового поколения ввиду ряда преимуществ: внеклеточной организации белка, высокой стабильности и низкой подверженности окислительным процессам, широкого температурного диапазона устойчивости, а также способности связывать и переносить монооксид азота, что снижает риск вазоконстрикции и др. [3]

В современных исследованиях червей рассматривают не только как источник биологически активных соединений и белковых комплексов, но и в качестве модельных организмов, например, почвенная нематода Caenorhabditis elegans. Короткий жизненный цикл, прозрачное тело, полностью секвенированный геном, низкие требования к условиям культивирования, а также способность за короткое время производить многочисленное потомство посредством самооплодотворения привели к популярности этой модели в качестве инструмента при изучении процессов старения, патогенеза нейродегенеративных заболеваний (например, болезни Альцгеймера), а также при тестировании противоопухолевых и противомикробных препаратов [4].

Развитие биотехнологий сделало возможным применение в биомедицине другого уникального биологического явления, характерного для кольчатых червей, — биолюминесценции, или излучения света живыми организмами. Из двух десятков светящихся кольчатых червей большинство обитает в тропических регионах, однако некоторые встречаются и в Сибири, где их свечение можно наблюдать невооруженным глазом в темное время суток. Практическая значимость изучения биолюминесцентных систем заключается в создании новых аналитических инструментов и совершенствовании методов молекулярной визуализации. Биолюминесцентный биоимиджинг обладает рядом преимуществ перед флуоресцентными методами, в частности, отсутствие необходимости во внешнем источнике возбуждения исключает автофлуоресценцию, снижает фоновый сигнал, а также обеспечивает высокую чувствительность и возможность детекции излучения на уровне отдельных клеток [5]. В настоящее время применяют лишь несколько люциферинов насекомых и морских организмов, включая D-люциферин, целентеразин и его синтетический аналог фуримазин [6]. Однако активно обсуждается расширение набора люциферин-люциферазных пар для мультицветной визуализации, позволяющей одновременно отслеживать различные молекулярные процессы [7].

Долгое время считалось, что у всех почвенных червей биолюминесценция основана на едином перекиснозависимом механизме Diplocardia longa (λ_max = 490 нм) (рисунок А) [8]. В случае D. longa свечение представляет собой результат окисления низкомолекулярного субстрата люциферина — N-изовалерил-3-аминопропаналя — в присутствии белка люциферазы. Однако открытие в Сибири трех новых видов — Fridericia heliota, Henlea petushkovi и Henlea rodionovae — показало, что у кольчатых червей существует еще как минимум два отличных механизма свечения [9]. Люциферин F. heliota (λ_max = 478 нм) представляет собой тетрапептид, окисляемый кислородом в присутствии АТФ, Mg²⁺ и люциферазы (рисунок Б). В Henlea sp. (λ_max = 464 нм) люциферин имеет триптофановую природу и окисляется кислородом в присутствии Ca²⁺ и люциферазы [8] (рисунок В), а дополнительным усилителем свечения является кофактор F0 (ActH) (структурный аналог рибофлавина), который принимает энергию от возбужденного оксилюциферина и переизлучает ее с 33-кратным усилением и спектральным сдвигом от 410 до 464 нм посредством механизма Ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) [10, 11]. Благодаря высокой стабильности люциферина и наличию кофактораусилителя, именно биолюминесцентная система Henlea sp. представляет особый интерес для разработки новых платформ биолюминесцентного биоимиджинга и многоцветного мониторинга внутриклеточных событий.

Дополнительно при анализе метаболитов Henlea sp. было обнаружено значительное количество нового для биолюминесцентных систем соединения — α-Сманнозилтриптофана (ManTrp). Спектры поглощения и флуоресценции ManTrp совпадают с таковыми для люциферина Henlea, поэтому ManTrp считается его вероятным метаболическим предшественником. Маннозилтриптофан встречается в природе либо в виде свободного мономера ManTrp, либо в составе полипептидной цепи белка как результат необычного C-гликозилирования по второму положению индольного остатка. Механизм С-гликозилирования в составе полипептидной цепи был открыт в 1994 г. на примере РНКазы человека. Мономерный ManTrp был найден в крови и моче человека и других млекопитающих, в том числе мышей и крыс, а также некоторых морских губок [12]. Установлено, что концентрация ManTrp в плазме крови повышается при ряде патологий, включая миелофиброз, сахарный диабет 2-го типа, хронические заболевания почек, рак яичников и нарушения регуляции тромбоцитарного роста. В связи с этими данными можно предположить, что ManTrp станет перспективным биомаркером для диагностики онкологических заболеваний.

В качестве одного из возможных применений люциферин-люциферазной системы Henlea sp. можно предложить разработку биолюминесцентной тест-системы для диагностики рака яичников на основе специфического распознавания ManTrp. Изменение BRET-индекса при связывании ManTrp может быть использовано в качестве высокочувствительного диагностического сигнала, а кофактор ActH/F0 обеспечит усиление свечения. Подобные стратегии нашли практическое воплощение в системах «люцифераза–наночастица» в BRETактивируемой фотодинамической терапии [13]. Кроме того, были успешно созданы устойчивые гибридные конструкции, объединяющие наночастицы на основе золота, фермент люциферазу (включая Phrixotrix hirtus) и фотосенсибилизатор. Эти биоконъюгаты демонстрируют стабильный биолюминесцентный сигнал и сохраняют функциональную активность в клеточных условиях [14]. Результаты показывают, что люциферазные системы могут быть интегрированы в наноплатформы для совмещения визуализации и активации терапевтических процессов [15]. В перспективе это открывает возможность создания систем молекулярной тераностики на основе ManTrp как диагностического маркера и одновременно триггера свечения активации биолюминесцентной системы.

Таким образом, разработка сенсоров на основе биолюминесцентной системы Henlea sp. и специфического распознавания ManTrp может стать основой новых платформ для ранней диагностики и мониторинга рака яичников и других метаболических нарушений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное применение почвенных червей в медицине вышло за рамки традиционных практик: их использование эволюционировало от приготовления народных снадобий до целенаправленного скрининга биологически активных соединений с применением современных научных методов. В настоящее время дождевые черви и нематоды рассматривают как источники ферментов и белковых комплексов, а также как модельные организмы, используемые для решения фундаментальных и прикладных задач биомедицины.

Особый интерес представляют биолюминесцентные системы кольчатых червей, отличающиеся разнообразием химических механизмов и уникальными кофакторами. Их изучение не только углубляет понимание эволюции и биохимии свечения, но и открывает путь к созданию новых инструментов молекулярной визуализации [16]. В частности, сочетание люциферин-люциферазных систем с механизмами переноса энергии (например, BRET) делает такие системы потенциально применимыми в фотодинамической терапии (PDT), особенно в случаях, когда требуется генерация света непосредственно внутри клеток организма. Исследование биолюминесцентных систем червей остается важным и перспективным полем современной биологии, объединяющим эволюционные и биохимические аспекты с инновационными приложениями в диагностике, терапии, целевой доставке лекарств и биолюминесцентной визуализации.