Ученые Нейрокампуса, созданного на базе РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, изучают редокс-состояние клеток мозга. Исследование призвано установить, приводит ли окислительный стресс к нейродегенеративным заболеваниям и деменции при старении мозга, когда они не имеют генетическую причину. Это большая работа, которая проводится совместно с экспертами ИБХ РАН, ФЦМН ФМБА России, МГУ им. М.В. Ломоносова, Российского квантового центра и при поддержке Российского научного фонда. Подробнее о проекте рассказал Олег Подгорный — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник группы термогенетики Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины РНИМУ им. Н.И. Пирогова, старший научный сотрудник отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН.

Что такое окислительный стресс

Активность нервных клеток — достаточно энергозатратный процесс. Это связано с тем, что они имеют большую площадь поверхности клеточных мембран по сравнению с другими клетками организма. Энергия нейронов уходит на несколько процессов:

на поддержание потенциала покоя на всей поверхности клеточных мембран;

на восстановление ионных градиентов после деполяризации и генерации потенциалов действия, а также концентрации внутриклеточного кальция;

на биосинтез нейромедиаторов — биологически активных химических веществ, посредством которых передаются электрохимические импульсы между клетками;

на транспорт везикул — крошечных специфических структур, в которых транспортируются питательные вещества. 

Нейроны добывают ее в основном за счет окислительного фосфорилирования, происходящего в митохондриях. Энергетический метаболизм нейронов находится на довольно высоком уровне. Это подтверждает тот факт, что у человека мозг занимает всего два процента от массы тела, но поглощает почти 20 процентов всего вдыхаемого кислорода.

Все это сопровождается неизбежным образованием активных форм кислорода. Одна из них — супероксид аниона. Данная реактивная молекула мало живет, но может окислять биомолекулы, что приводит к нежелательному изменению их химической структуры, утрате их функциональных свойств. Это становится причиной нарушения физиологических процессов в клетке и даже ее гибели.

То есть окислительный стресс по своей сути — повреждение клеток окислителями. Этот процесс всегда сопровождает нейродегенеративные состояния.

Каковы проблемы текущего моделирования нейродегенеративных заболеваний

Часто окислительный стресс рассматривают в качестве причин возникновения нейродегенеративных заболеваний, а также деменции при старении мозга. Однако на сегодняшний день прямых доказательств того, что именно он — первопричина всего, нет. Это связано с тем, что ранее отсутствовали методы создания изолированного окислительного стресса.

Чтобы смоделировать нейродегенеративное заболевание сегодня, применяют один из способов: либо отравляют нейроны токсинами, либо используют мутантных и трансгенных животных, у которых уже нарушены метаболизм и сигналинги, не связанные с редокс-системой клетки. 

Однако эти подходы не могут достоверно воспроизвести события, происходящие в мозге при таких нейродегенеративных заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или деменция при старении мозга.

Чем отличается новый метод

Ученые предложили использовать хемогенетический подход, чтобы изменять редокс-состояние клеток мозга и создавать изолированный окислительный стресс.

В основе данного инструмента — применение оксидазы D-аминокислот. Этот фермент катализирует окислительное дезаминирование исключительно D-, но не L-аминокислот. Побочным продуктом реакции является пероксид водорода. Эта молекула также относится к активным формам кислорода, и среди них она самая долгоживущая.

С помощью специальных безопасных вирусов экспериментаторы доставляют ген оксидазы D-аминокислот в нейроны и, добавляя к ним D-аминокислоту, симулируют окислительный стресс внутри них.

В ходе исследования ученые отметили, что в условиях окислительного стресса у нейронов стирается память намного быстрее, чем у нормальных нервных клеток.

«То, что мы увидели в наших экспериментах, было похоже на ситуацию, которая происходит в стареющем мозге: когда еще нет очевидных признаков нейродегенерации, но уже появляются какие-то нарушения памяти и умственных способностей», — отметил Олег Подгорный.

В чем практическая польза хемогенетического управления редокс-состоянием клеток мозга

Такой подход поможет в создании платформы для скрининга антиоксидантов, которые были бы полезны и эффективны против окислительного стресса в мозге. По сути, она уже готова. У экспериментаторов есть вирусы (с оксидазой D-аминокислот), их вводят в мозг и осуществляют анализ. Также ученые могут тестировать различные антиоксиданты и смотреть на их эффекты, сравнивая с теми, что были выявлены в ходе эксперимента.

С помощью этого метода у исследователей есть возможность моделировать старение мозга и его наиболее важные патологии: болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Нужно отметить, что сегодня эксперименты находятся в активной стадии, завершатся они только через несколько лет.