Российские ученые разработали новый способ обнаружения допинга в пробах

23 июля в Токио должны были начаться летние Олимпийские игры. Однако из-за коронавируса главное спортивное событие мира состоится лишь через год. Пока спортсмены грустят об упущенных возможностях, ученые не теряют время и разрабатывают новые способы обнаружения допинга в пробах. Так, исследовательская группа из Сколтеха предлагает искать запрещенные вещества с помощью масс-спектрального анализа изотопов водорода и кислорода.

Иголка в стоге сена

Обнаружить в организме человека запрещенные вещества — ​задача не самая тривиальная. Первая проблема — ​специалисты не знают, какие именно вещества они ищут: в черный список входят несколько сотен наименований, а для каждой группы веществ нужно использовать разные методы и протоколы исследований. Это как искать иголку в стоге сена, причем в 99 % случаев иглы там просто нет. Несмотря на шумные скандалы вокруг недобросовестных спортсменов, допинг находят менее чем у 1 %. Это подтверждает большое исследование WADA, проведенное в 2017 году. Организация проверила примерно 245 тыс. человек, из них подозрительными оказались результаты 2749, а после дополнительных тестов выяснилось, что антидопинговые правила нарушили лишь 1459 спортсменов.

Вторая проблема — ​многие запрещенные вещества, чаще всего стероиды (тестостерон, андростендион), имеют аналоги естественного происхождения, которые вырабатываются в организме. Причем молекулярный состав таких веществ и искусственных практически идентичен. Как же узнать, обнаружили в крови человека его «родной» тестостерон или синтетический, который спортсмен принял, чтобы улучшить показатели?

Стандартные методы анализа отмечают лишь колебания в гормональном фоне, но не могут точно определить происхождение вещества. Уровень тестостерона может колебаться в широком диапазоне и зависит от многих факторов: стресса, особенностей организма, питания и даже климата. Кроме того, на рынке спортивного питания стало появляться все больше прогормонов, в частности ​предшественников или метаболитов тестостерона, которые превращаются в гормоны в секреторных клетках. Прогормоны не определяются традиционными методами допинг-контроля.

Масс-спектрометр на страже

Чтобы определить химический состав вещества, используют масс-спектрометрию. При этом молекулы вещества ионизируют (т. е. нейтральные становятся заряженными), пропускают через детектор заряженных частиц, а затем взвешивают — ​определяют отношение их массы к заряду. Но получить масс-спектр — ​лишь половина дела, ведь нужно еще понять, какое именно вещество вы нашли. В открытых базах химических соединений вроде PubChem и ChemSpider более 120 млн соединений. Даже если по данным масс-спектрального анализа удалось восстановить молекулярный состав вещества, в базе найдутся тысячи соединений с таким же составом, но разной конфигурации. Возьмем, к примеру, C8H9NO2 — ​очень сложно выяснить, какой препарат употребил человек: парацетамол или, например, 1-этил‑2-нитробензол.

Справка

Масс-спектрометр — ​прибор для определения отношения массы атомов (молекул) к их заряду по характеру движения их ионов в электрическом и магнитном полях. С помощью масс-спектрометра определяют, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в веществе или смеси. Прибор анализирует сложные смеси газов и паров, например природный газ и нефтепродукты, растворы органических и неорганических соединений, медикаменты, биологические объекты (микробиологические смывы, кровь, растительные экстракты, сложные смеси газов и т. д.), полезные ископаемые, радиоактивные материалы и ядерное топливо, специальные неядерные материалы и многое другое.

В Центре по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Сколтеха (CDISE) придумали, как получить больше информации о структуре молекулы, сузить тем самым пространство поиска и повысить точность исследования. Помимо стандартной масс-спектрометрии ученые предложили проводить два анализа, основанных на реакциях обмена водорода с дейтерием и кислорода‑16 с кислородом‑18. Исследуя характеристики реакции, можно выяснить количество лабильных (подвижных, легко меняющих положение) атомов H и O из групп -ОН, -NH, =O, -COOH и уточнить таким образом структуру вещества. Свой метод ученые испытали для детектирования в моче человека психоактивного вещества метилендиоксипировалерона (МДПВ). Его формула C16H21NO3 дает 19 337 соединений, а всего два дополнительных анализа сокращают пространство поиска в 13 раз — ​до 1515 молекул. Авторы отмечают, что среди этих оставшихся 1,5 тыс. молекул лишь малая часть имеет биологическое происхождение, так что это существенно упростит дело.

Углеродный след

Изотопный анализ в допинг-контроле применяется довольно давно. Так, в 2013 году специалисты Центра превентивного исследования допинга из Кельна (Германия) разработали метод, определяющий наличие препарата AICAR по содержанию в пробах углерода‑12 и углерода‑13. AICAR — ​аналог аденозинмонофосфата (АМФ), который участвует во многих обменных процессах в организме. Прием AICAR ускоряет кровоток, стимулирует образование жиров и их окисление, в результате чего высвобождается много энергии в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Кроме того, препарат ускоряет метаболизм углеводов, увеличивает содержание глюкозы в мышечных волокнах. Мышцы используют глюкозу и жирные кислоты в качестве субстратов для аэробного метаболизма и производства АТФ, организм становится выносливее. AICAR даже прозвали упражнением в таблетке, так как он повышал выносливость лабораторных мышей на 44 %. Однако последствия длительного приема AICAR почти не исследованы, препарат может негативно влиять на сердечно-сосудистую систему и привести к инфаркту миокарда. Сразу же после появления препарата на рынке ученые начали искать способы его определения в моче. Проблема была в том, что АМФ естественным образом присутствует в организме. Решение нашли ученые из Кельна. Они предложили изучать соотношение изотопов углерода, поскольку содержание углерода‑12 и углерода‑13 в естественном и синтетическом АМФ различается. Аналогичный метод применяют и для определения искусственных гормонов в пробах спортсменов. Соотношение изотопов углерода‑13/углерода‑12 для синтетических аналогов гормонов колеблется в диапазоне от –27,4 до –36,4 промилле. Для естественных гормонов человека в зависимости от диеты и национальности эта же величина лежит в диапазоне от –16 до –26 промилле.

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Согласно исследованию, проведенному WADA в 2017 году, чаще всего допинг употребляют бодибилдеры (22 %), атлеты (20 %) и велосипедисты (18 %). Среди стран лидеры по нарушению антидопинговых правил — ​Италия (21 %), Франция (15 %) и США (12 %).