Ученые создали модель биохимического процесса, который происходит в клетках мозга на начальных этапах развития старческой деменции. Эксперимент подтвердил теорию о том, что причина возрастных расстройств — действие свободных радикалов в нервных клетках. Разработки позволят на ранних стадиях диагностировать такие патологии, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Уже сейчас на предложенной модели можно тестировать препараты от возрастных заболеваний мозга. Об исследовании рассказала пресс-служба Российского научного фонда.
От старческой деменции страдают около 50 миллионов человек во всем мире. В 1 % случаев врачи отмечают наследственную предрасположенность к заболеванию. Но пока неизвестно, что именно запускает процесс разрушения нервных клеток в подавляющем большинстве случаев и почему одни люди подвержены ему больше других. Кроме того, возрастные психические нарушения обычно диагностируются после 65 лет, и распознать развитие деменции в более раннем возрасте сложно. При этом ученые давно обнаружили, что первые признаки заболевания, такие как снижение памяти и способности к обучению, сопровождаются окислительным стрессом в клетках мозга. Он возникает, когда в стареющем организме снижается количество антиоксидантных ферментов и образуется избыток свободных радикалов — активных форм кислорода, которые вступают в реакции с молекулами живой клетки, разрушая ее. До сих пор оставалось неясным, является это причиной заболеваний, их симптомом или сопутствующей патологией. Изучение вопроса затрудняла невозможность напрямую наблюдать и контролировать химические процессы, происходящие в живом мозге.
Группа ученых на базе Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН воссоздала контролируемый окислительный стресс в отдельных клетках мозга мышей. Для этого был создан искусственный вирус, который выступает носителем особой генетической конструкции. Она обеспечивает нейроны программой, записанной в ДНК, благодаря которой в вирусах вырабатывается фермент оксидаза D-аминокислот. На искусственно выращенных нейронах, зараженных вирусом, ученые проверили, что добавление к ним вещества D-норвалина вызывает выделение пероксида водорода — самой долгоживущей в клетке молекулы, относящейся к активным формам кислорода. После вирус с помощью микрошприца ввели в гиппокамп лабораторных мышей, чтобы выяснить, какие изменения вызывает окислительный стресс в живом мозге.
Через две недели у зараженных вирусом животных взяли срезы мозга толщиной 300 мкм. Анализ образцов включал в себя микроскопическое исследование и электрофизиологические эксперименты: ученые вызывали окислительный стресс в конкретном нейроне и регистрировали электрическую активность этого нейрона. Во всех случаях наблюдалось снижение синаптической пластичности — способности нервных клеток усиливать или ослаблять связь между нейронами и регулировать скорость передачи нервных импульсов. Это свойство клеток ученые связывают со способностью млекопитающих к обучению и запоминанию.
Проточная камера, в которой проводятся электрофизиологические эксперименты на срезах мозга мышей. Источник: Олег Подгорный
Модель развития деменции на уровне клеток построена учеными впервые и позволяет определить признаки заболевания на ранних этапах. В будущем это поможет диагностировать психическую дегенерацию в самом начале, когда у пациента еще не проявились когнитивные нарушения.
«То, что мы сделали на срезах мозга, — это готовая платформа для проверки лекарственных препаратов, которые бы улучшали функции нервных клеток в условиях окислительного стресса. Следующим шагом будет получение доказательств, что этот процесс в клетках мозга приводит к развитию болезни Альцгеймера. Для этого мы будем наблюдать за животными, чтобы понять, как изменяются их когнитивные функции после воздействия нашего инструмента», — рассказывает Олег Подгорный, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИБХРАН.
В исследовании также приняли участие ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Института фундаментальной неврологии Федерального центра мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства, Казанского федерального университета, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова, Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского, Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины РНИМУ им. Н. И. Пирогова, Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук совместно с коллегами из Гейдельбергского университета и Геттингенского университета имени Георга Августа.
Результаты исследований, поддержанных грантами Российского научного фонда, опубликованы в журнале Redox Biology.