Что есть смерть?

Сегодня общепринята точка зрения, что мертвое тело от живого отличается отсутствием мозговой активности. В то же время существует множество пограничных состояний, для которых нельзя провести четкой разделительной черты между жизнью и смертью.

Сейчас такие состояния называют клинической смертью, но раньше никто и представить не мог, что врачи научатся возвращать к жизни, казалось бы, уже потерянных людей. Еще век назад не было возможности поддерживать впавшего в кому пациента, а два века назад остановка сердца означала неминуемую гибель. Сейчас же все знают, что остановившееся сердце может снова забиться, если провести его массаж до наступления необратимых изменений. Таким образом, смерть — это не просто остановка жизненных процессов, а их необратимое прекращение. Как далеко находится «точка невозврата», зависит от уровня медицины в каждый исторический период.

До сих пор, несмотря на торжество молекулярной биологии, практически невозможно повернуть вспять внутриклеточные постмортальные изменения, наступающие быстрее всего в нервной ткани. Но есть способ замедлить эти изменения и отсрочить проявление их печальных физиологических последствий.

Чудеса реанимации

С 1970-х годов по всему миру законодательство отошло от устаревшего определения смерти, в котором главным признаком было отсутствие дыхания и пульса, и пришло к критерию отсутствия мозговой активности. К 1980-м уточнили, что активность должна отсутствовать во всём мозге, а не только коре [1]. С этих пор врачебное сообщество особо интересовал вопрос: как долго человек может находиться в состоянии клинической смерти без необратимого вреда для мозга? В 1980-х выяснили, что при остановке сердца необратимые изменения мозга наступают, если не восстановить кровоток в течение пяти минут [2].

Но в 1990-х опыты американского ученого Петера Сафара, проведенные на собаках, показали, что охлаждение мозга до 30 °С позволяет продлить это время до 10 минут [3]. После успешных опытов над людьми, которых после остановки сердца в течение суток охлаждали до 32-34 °С, охлаждение мозга было включено в рекомендации по оказанию первой помощи при остановке сердца [4]. Медицине известны уникальные случаи, когда люди выживали после длительной остановки кровообращения при экстремальном охлаждении. Так, шведке Анне Багенхольм удалось выжить после несчастного случая на лыжной трассе в 1999 году: она провалилась под лед, где провела почти полтора часа, из которых последние 40 минут — с остановившимся сердцем . Ее температура упала ниже 14 °С, но она выжила и смогла полностью восстановиться (рис. 1) [5].

Об искусственных либо обусловленных эволюционно остановках «биологических машин» с возможностью перезапуска повествуют статьи: «Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии» [6], «Анабиоз I. Минимальная жизнь» [7] и «Анабиоз II. Смерть до востребования» [8].

Отодвигая определение смерти

Но что делать, если мозговая активность уже пропала? Есть ли способ исправить, казалось бы, непоправимый урон? Способности мозга млекопитающих к регенерации крайне низки. Несмотря на наличие в мозге нервных стволовых клеток, их активность весьма ограничена [9]. В то же время у амфибий и рыб стволовые клетки позволяют восстановить мозг даже после потери целых отделов этого органа [10].

Но возможно, существуют способы пробудить скрытый регенеративный потенциал мозга человека. Для поиска этих способов две фирмы, специализирующиеся на регенеративной медицине, — Bioquark и Revita Life Sciences — объединились в проекте ReAnima. В апреле 2016 ReAnima объявил о старте proof of concept клинического исследования, в котором будет опробован комплекс мер по возврату к жизни людей с зафиксированной смертью мозга. Детали исследования не разглашаются, но известно, что оно проводится на базе больницы Анупам в Рудрапуре (Индия) и в нём примут участие 20 пациентов. Терапия будет включать инъекции пептидов, лазерную стимуляцию нервов и клеточные технологии. Результаты исследования обнародуют в 2017 году [11].

Мертво тело, но не клетки

С точки зрения отдельных клеток, смерть организма — это лишь нехватка питательных веществ и гипоксия, которые могут прекратиться в любой момент. Поэтому даже если полученный организмом урон абсолютно необратим, клетки просто этого не знают и продолжают надеяться на лучшее, пока у них есть силы. Спустя некоторое время часть клеток понимает, что имеющихся вокруг ресурсов на всех не хватит, и благородно жертвует собой ради спасения остальных, запуская программу саморазрушения — апоптоз.

И всё же некоторые клетки продолжают жить, ну или по крайней мере поддерживать часть процессов, идущих в живых клетках. О том, как себя ведут частично живые клетки, известно очень мало. Понимание же этих процессов важно не только для осуществления далекой фантазии о возврате умерших к жизни, но и для решения более реальных проблем трансплантологии. Отделенные от донора органы тоже можно считать живыми или мертвыми — в зависимости от того, смогут ли они заработать в новом теле. Чтобы продлить срок их хранения, необходимо понимать, что такое смерть на клеточном и молекулярном уровнях и как можно обратить процессы, в конечном счете приводящие к безвозвратной потере органа.

Танатотранскриптом — экспрессия на том свете

Международная группа ученых задалась вопросом: как меняется уровень РНК в клетках мертвого организма? Изначальная гипотеза предполагала, что при смерти организма машина синтеза РНК какое-то время продолжит работать, но ее активность будет постепенно затухать, пока синтез не прекратится вовсе (рис. 2) [12]. Такой сценарий можно сравнить с автомобилем, в котором кончился бензин: машина продолжит двигаться по инерции и будет замедляться, пока поршни не совершат несколько последних циклов и автомобиль в конце концов не остановится полностью.

Но оказывается, что некоторые гены активно транскрибируются спустя дни после смерти организма. Если продолжать аналогию, то у заглохшего автомобиля внезапно начали бы работать стеклоочистители, включились бы радио и поворотники.

Можно подумать, что повышение содержания некоторых РНК со временем — лишь следствие их высокой стабильности, однако немонотонность и несколько пиков концентрации для отдельных видов мРНК вместе с высокой воспроизводимостью данных подразумевают, что ошибка такого рода исключена. К тому же это исследование подтверждает результаты более ранней и менее масштабной работы, выявившей рост РНК генов матриксных металлопротеаз и миозиновых белков в крови и перикардиальной жидкости человека через 12 часов после смерти [13].

В каждом из объектов — рыбке Danio rerio и мыши Mus musculus — было идентифицировано более 500 генов, чья экспрессия значительно повышается после смерти (рис. 3). Среди «находок» (где увеличение синтеза достигает 50-60%) — белок-кодирующие гены и некодирующая мРНК. Соответствующие белки участвуют в воспалении, иммунных реакциях, раковом перерождении, апоптозе, трансмембранном транспорте, реакциях на кислородное голодание и, как ни странно, эмбриональном развитии. Большинство генов, ответственных за все эти процессы, у мыши активировались уже через час после смерти, а у D. rerio медленнее — в течение суток. Экспрессия некоторых генов у мыши продолжала расти два дня, а у D. rerio — даже три дня после гибели организма. Это значит, что в течение такого времени клетка сохраняет остатки структур, обеспечивающих синтез РНК.

Рост транскрипции некоторых генов, как например генов воспаления и иммунитета, имеет биологический смысл: клетки чувствуют угрозу своему существованию и пытаются противостоять ей. Точно так же активация генов мембранного транспорта — отчаянная попытка гибнущих клеток восстановить гомеостаз. В то же время экспрессия генов эмбрионального развития в мертвом организме, скорее всего, свидетельствует о разрушении сложных регуляторных путей, для поддержания которых требуется постоянный приток энергии и определенные внутриклеточные условия [12].

Критика танатотранскриптома

Важно отметить, что обсуждаемая работа содержит ряд спорных моментов.

Так, в ней определялись лишь относительные концентрации мРНК, которые росли даже после резкого падения уровня тотальной РНК (рис. 2), то есть деградация РНК идет гораздо интенсивней, чем синтез. К тому же работа велась с препаратами смеси тканей, клетки которых различаются по энергетическим потребностям, а стало быть, и выживаемости [14]. Из-за этого может оказаться, что в какой-то момент картина относительных концентраций мРНК поменялась, потому что тогда умер определенный тип клеток, что повысило относительное содержание стабильных мРНК этого типа клеток.

Некоторые морфологические постмортальные изменения также могут влиять на наблюдаемую картину: с оттоком крови из печени уровень мРНК клеток крови будет падать, а мРНК гепатоцитов — расти. Для большей точности было бы необходимо провести работу с отдельными тканями и клетками, изъятыми из трупов животных.

Больше ответов — больше вопросов

Приведенное исследование почти уникально в своем роде. В более ранних трудах даже не рассматривалась возможность активной транскрипции после смерти — считалось, что в мертвом организме РНК не синтезируется [15], [16]. И хотя объем проделанной работы (содержащей некоторые спорные моменты) действительно велик, молекулярная танатология пока большей частью состоит из вопросов, а не ответов.

Самый важный из этих вопросов — как найденные закономерности в тотальных препаратах тканей соотносятся с данными по отдельным типам клеток?

Но, несмотря на свои недостатки, это исследование поднимает целый ряд практически значимых вопросов. Например, насколько критичны индивидуальные различия в танатотранскриптомах для успешной трансплантации? Может ли постмортальный репертуар мРНК быть так же важен, как совместимость иммунных рецепторов донора и реципиента? Существуют ли молекулярные детерминанты успешной реанимации? Как коктейль онкогенных, эмбриональных и апоптотических генов повлияет на судьбу клеток, вернувшихся в нормальные физиологические условия?

Стоит отметить, что для прикладной науки наиболее интересно узнать все ответы применительно к человеку, а это может быть очень сложным из-за этических ограничений. Без данных же о человеческом танатотранскриптоме любые исследования в этом направлении просто обречены остаться без практического применения.

Литература

1. What is the Uniform Declaration of Death Act (UDDA)? FindLaw;
2. Safar P. (1986). Cerebral resuscitation after cardiac arrest: a review. Circulation. 74, IV138— IV153;
3. Eric W. Brader, Dietrich Jehle, Michael Mineo, Peter Safar. (2010). Protective head-cooling during cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation: the original animal studies. Neurol Int. 2, 3;
4. The Hypothermia after Cardiac Arrest Study Group. (2002). Mild Therapeutic Hypothermia to Improve the Neurologic Outcome after Cardiac Arrest. N Engl J Med. 346, 549-556;
5. Frozen woman: a ’walking miracle’. (2000). CBS news;
6. Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии;
7. Анабиоз I. Минимальная жизнь;
8. Анабиоз II. Смерть до востребования;
9. Dengke K Ma, Michael A Bonaguidi, Guo-li Ming, Hongjun Song. (2009). Adult neural stem cells in the mammalian central nervous system. Cell Res. 19, 672-682;
10. Tetsuya Endo, Jun Yoshino, Koji Kado, Shin Tochinai. (2007). Brain regeneration in anuran amphibians. Development, Growth & Differentiation. 49, 121-129;
11. Non-randomized, open-labeled, interventional, single group, proof of concept study with multi-modality approach in cases of brain death due to traumatic brain injury having diffuse axonal injury. (2016). ClinicalTrials.gov;
12. Pozhitkov A.E., Neme R., Domazet-Loso T., Leroux B., Soni S., Tautz D., Noble P.A. (2016). Thanatotranscriptome: genes actively expressed after organismal death. bioRxiv;
13. Lucas González-Herrera, Aurora Valenzuela, Juan A. Marchal, José A. Lorente, Enrique Villanueva. (2013). Studies on RNA integrity and gene expression in human myocardial tissue, pericardial fluid and blood, and its postmortem stability. Forensic Science International. 232, 218-228;
14. C J Babapulle, N P K Jayasundera. (1993). Cellular Changes and Time since Death. Med Sci Law. 33, 213-222;
15. Vibeke Sørensen Catts, Stanley Victor Catts, Harvey Robert Fernandez, Jennifer Maree Taylor, Elizabeth Jane Coulson, Louise Helen Lutze-Mann. (2005). A microarray study of post-mortem mRNA degradation in mouse brain tissue. Molecular Brain Research. 138, 164-177;
16. Marielle Heinrich, Katja Matt, Sabine Lutz-Bonengel, Ulrike Schmidt. (2007). Successful RNA extraction from various human postmortem tissues. Int J Legal Med. 121, 136-142.