Ученые лаборатории «Молекулярная нейробиология» Южного федерального университета, участника программы «Приоритет 2030», разработали экспериментальную модель для изучения нервной ткани. Основой послужили рецепторы речного рака. С их помощью изучают сигнальные механизмы выживания и гибели нейронов и глиальных клеток, находящихся под воздействием стресса.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
В современном научном мире большое значение имеет грамотно выбранная эмпирическая модель исследования. Изучение молекулярно-клеточных механизмов нервной системы представляет большую актуальность, но омрачено дороговизной модельных объектов и слабой возможностью переноса полученных результатов на человеческий организм. Научным коллективом лаборатории «Молекулярная нейробиология» Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского была поставлена задача найти и разработать удобную экспериментальную модель изучения сигнальных механизмов выживания и гибели нейронов и глиальных клеток (проводники нервных импульсов) в условиях различных стрессовых воздействий. «Золотым ключом» решения проблемы стал обыкновенный речной рак.
«На периферии брюшка рака расположен рецептор растяжения, состоящий из двух механорецепторных нейронов, окруженных глиальными клетками, а также пары рецепторных мышц. Не нужно готовить сложные смеси для выращивания культуры клеток, достаточно поместить нейроны в простой физиологический раствор для хладнокровных животных, который можно приготовить в любой биохимической лаборатории в течение пяти минут. Так, введя микроэлектроды в клетки и подключив их к специальному оборудованию, можно услышать биение “невидимых сердец” механорецепторных нейронов речных раков — биоэлектрическую импульсную активность. Добавляя в раствор с нейронами активаторы и ингибиторы различных сигнальных белков, можно буквально за несколько часов оценить их нейропротекторный либо нейротоксический эффект в таких шок-ситуациях для клетки, как, например, полный разрыв аксона (отросток нейрона, передающий биоэлектрические сигналы), либо фотодинамическое воздействие. Разработанная модель позволяет выявить внутриклеточные процессы, регулирующие выживание и различные формы гибели нервных клеток,— апоптоз или некроз при окислительном повреждении, что очень важно для лечения многих патологий, таких как, например, инсульт, онкология, травма нервов.
Оба воздействия являются прямым отражением важнейших проблем здравоохранения. Первое — полный разрыв аксона часто сопровождает травмы нервов, второе — фотодинамическая терапия (метод повреждения патологически измененной ткани, протекающий при взаимодействии света, кислорода и фотосенсибилизатора) используется для лечения онкологии, в частности опухолей мозга.
В первом случае нужно сохранить поврежденные нейроны для их регенерации, во втором — здоровые, окружающие опухоль. Но как это сделать, когда не знаешь, как работает сложная клеточная машина в условиях стресса? Механорецепторные нейроны — вот ответ. Это идеальная модель для изучения электрофизиологии, морфологии и биохимии. Мы окрасили нейроны и глиальные клетки недорогими красителями — пропидиумом йодида и Hoechst-33342 — и увидели “флуоресценцию жизни либо смерти”. Пропидиум йодид визуализирует некротические, то есть мертвые, клетки, а Hoechst-33342 — живые»,— рассказал Станислав Родькин, младший научный сотрудник лаборатории «Молекулярная нейробиология».
Эта модель позволяет оценивать влияние различных веществ на выживание нейронов и глиальных клеток в условиях шок-реакций на доступной и, главное, эффективной модели с помощью речного рака. Это расширяет понимание о фундаментальных механизмах клеточной адаптации к стресс-воздействиям, а также вносит существенный вклад в разработку методов защиты нейронов.
Результаты проекта опубликованы в журналах Journal of Photochemistry and Photobiology и Journal of Molecular Neuroscience.
Нина Красковская, к.б.н., сотрудник лаборатории молекулярной нейродегенерации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):
— Одни из важнейших открытий в области нейробиологии были сделаны с помощью простых модельных объектов. Изучение механизмов распространения нервных импульсов было сделано на гигантском аксоне кальмара. Выяснение механизмов, лежащих в основе синаптической пластичности, которая в настоящее время рассматривается как клеточный субстрат памяти, было проведено на одном из видов моллюсков — аплизии. Таким образом, такие простые модели, как механорецепторные нейроны рака и их глиальное окружение, могут быть полезны при изучении и разработке терапевтических агентов таких социально значимых заболеваний, как инсульт. Гибель нейронов при инсульте во многом обусловлена повышением уровня внутриклеточного кальция, а применение такой простой модели сможет упростить анализ антагонистов кальциевых каналов, оказывающих положительный эффект на выживаемость нейронов. Кроме того, предложенная модель может быть очень полезна при изучении нейроглиальных взаимодействий, которым в последние годы уделяется все больше внимания ввиду вовлеченности межклеточных сигнальных процессов в развитие дегенеративных изменений в тканях головного мозга при различных повреждениях или нейропатологиях.