От мышей до приматов

Ученые научно-технологического университета «Сириус» совместно с коллегами из других научных учреждений провели анализ моделирования травм спинного мозга и определили наиболее эффективные подходы для разработки новых методов лечения. Исследование показало, что выбор правильной животной модели — от грызунов до приматов — напрямую влияет на точность прогнозирования результатов терапии для человека.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Эта работа позволит оптимизировать доклинические испытания, сократить число экспериментов на животных и ускорить создание действенных методов реабилитации пациентов с повреждениями спинного мозга. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Biomedicines.

Спинной мозг — одна из самых важных частей нервной системы. Его повреждение может привести к серьезным последствиям, включая полный паралич. Лечение таких повреждений остается сложной задачей, поэтому для разработки новых методов терапии специалисты проводят эксперименты на животных. Однако не все модели одинаково эффективны: одни лучше имитируют человеческие травмы, другие проще в исполнении, третьи позволяют точнее оценить процесс восстановления. Вместе с тем выбор правильной модели — это первый шаг к созданию эффективных методов лечения. Чем точнее модель отражает реальное повреждение у человека, тем больше шансов, что препараты и терапевтические подходы, проверенные на животных, действительно помогут пациентам.

Время для принятия верного врачебного решения критично. Чтобы решить вопрос с быстрым выбором правильной стратегии лечения, исследователи из научно-технологического университета «Сириус», Санкт-Петербургского государственного университета и центра LIFT (Life Improvement by Future Technologies) проанализировали различные методики моделирования травм спинного мозга и определили, какие из них наиболее перспективны. Дело в том, что, когда ученые ищут новые методы лечения травм спинного мозга, они не могут сразу тестировать их на людях: это опасно. Поэтому сначала проводятся эксперименты на животных. Но и здесь есть сложности: спинной мозг мыши устроен не совсем так, как у человека, а обезьяны, хотя и ближе к нам по анатомии, слишком сложны и дороги в исследованиях.

Ученые научно-технологического университета «Сириус» с коллегами из других российских научных учреждений проанализировали несколько сотен научных работ и выделили три основных способа моделирования травм. Первый — контузия, при которой спинной мозг подвергается удару, что позволяет имитировать повреждения, возникающие при автомобильных авариях. Второй метод — это компрессия, когда позвоночник сдавливают, создавая условия, похожие на травмы при его переломах. Третий подход заключается в частичной или полной перерезке спинного мозга, что помогает исследовать процессы восстановления нервной ткани. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы. Например, контузия лучше отражает реальные травмы, но сложнее в контроле, а перерезка дает четкие результаты, но не всегда соответствует клиническим случаям.

Анализ научных данных показал, что крысы и мыши — самые популярные модели из-за простоты содержания. Однако их спинной мозг восстанавливается все же несколько иначе, чем человеческий. В основном из-за значительных различий в строении между человеком и грызунами. Более крупные животные — например, свиньи — видятся более адекватным вариантом, ведь их анатомия ближе к человеческой, но эксперименты с ними сложнее и дороже. Рыбки данио и лягушки уникальны тем, что их спинной мозг может полностью регенерировать. Это уникальная возможность изучить, как вообще возможны подобные процессы. Наконец, приматы дают наиболее точные данные, но их использование ограничено как по этическим, так и по финансовым причинам.

Разобравшись с многообразием модельных процессов, ученые «Сириуса» пришли к выводу, что для различных задач лучше подходят разные модели. Так, для тестирования лекарств удобны грызуны, а для изучения долгосрочного восстановления — более сложные организмы. Например, для анализа длительных процессов восстановления лучше подойдут свиньи.

Опубликованная работа поможет специалистам быстрее выбирать оптимальные методы исследований, ускорять разработку терапии, а также снижать количество экспериментов на животных за счет более точных моделей. Ученые надеются, что вскоре появятся технологии, которые позволят науке меньше зависеть от подопытных животных. Так, нейрофизиологи уже активно тестируют компьютерные модели, позволяющие воссоздавать и анализировать различные варианты повреждений спинного мозга с помощью искусственного интеллекта. Но пока без животных моделей не обойтись, и теперь благодаря работе команды нейробиологов из научно-технологического университета «Сириус», СПбГУ и Центра LIFT под руководством профессора, доктора медицинских наук Павла Мусиенко их использование станет более осмысленным и эффективным.

«Наш коллектив проделал большую работу по анализу наиболее релевантных экспериментальных моделей повреждения спинного мозга у лабораторных животных. В результате мы предлагаем исследователям действенный алгоритм принятия решений по эффективному использованию этих моделей с учетом целей исследования, их особенностей, достоинств и недостатков каждой из моделей. Такого исследования, настолько тщательно и глубоко анализирующего вопросы экспериментального моделирования повреждений спинного мозга на животных разных видов, ранее опубликовано не было. Я благодарю всех моих коллег и очень рад, что принял участие в этом интересном проекте»,— рассказывает первый автор работы, ведущий научный сотрудник, доктор биологических наук Владислав Соболев.

Работа проводилась по гранту федеральной территории, в рамках которого в этом году научно-технологический университет «Сириус» открыл набор на новую программу магистратуры «Нейротехнологии с основами биоматериаловедения». Обучение бесплатное, подать документы и сдать экзамены можно онлайн на сайте университета.

Павел Мусиенко, научный руководитель направления «Нейробиология» научного центра генетики и наук о жизни научно-технологического университета «Сириус», профессор, руководитель лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ, доктор медицинских наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Почему выбор правильной животной модели критически важен для изучения повреждений спинного мозга?

— Повреждения спинного мозга — это обширная группа заболеваний не только травматологической природы, но и онкологической (доброкачественные и злокачественные опухоли), сосудистой (спинальные инсульты), воспалительной (туберкулез позвоночника) и др. При этом могут развиваться и нарушения движений, и чувствительности, работы тазовых органов, сердечно-сосудистые осложнения, психические и другие расстройства. Поэтому требуется четкий и правильный выбор экспериментальной модели для изучения конкретной патологической ситуации — например, контузии шейного отдела спинного мозга, половинного (синдром Броун-Секара) или полного анатомического разрыва, опухолей позвоночного канала, осложненных тетраплегией (полным параличом всех конечностей) или гемипарезом (парез руки и ноги слева или справа), нарушения мочеиспускания или эректильной дисфункции. Это важно и для изучения специфических механизмов развития патологического процесса, и для разработки эффективных методов лечения.

— Почему мыши и крысы, несмотря на популярность, неидеальны для исследований?

— Действительно, крысы и мыши — одни из самых популярных моделей. Однако их спинной мозг существенно отличается и по анатомии, и по функциональным особенностям, и по нейропластическому потенциалу. Более крупные животные — например, свиньи — видятся более адекватным вариантом, ведь их анатомия ближе к человеческой, но эксперименты с ними сложнее и дороже. Рыбки данио интересны тем, что их спинной мозг может полностью регенерировать. Это уникальная возможность изучить подобные процессы. Наконец, приматы дают наиболее точные данные, но их использование ограничено как по этическим, так и по финансовым причинам.

— Как новое исследование поможет сократить количество экспериментов на животных?

— Мы рассчитываем, что опубликованная работа поможет ученым, изучающим спинной мозг, быстрее выбирать оптимальные методы исследований, ускорять разработку терапии, а также снижать количество экспериментов на животных за счет более точных моделей. Также надеемся, что вскоре появятся технологии, которые позволят науке меньше зависеть от подопытных животных. Так, нейрофизиологи уже активно тестируют компьютерные модели, позволяющие воссоздавать и анализировать различные варианты повреждений спинного мозга с помощью искусственного интеллекта. Но пока без животных моделей не обойтись, и их использование должно быть максимально осмысленным и эффективным.

— Как результаты исследования повлияют на разработку новых методов лечения?

— Например, разработка нейроинтерфейсов и имплантов нового поколения. Целый ряд проектов нашей команды посвящены как раз исследованию новых функциональных материалов для нейроимплантов с более широким функционалом и высоким уровнем биоинтеграции.

— Какие конкретные заболевания можно будет лечить благодаря этим исследованиям?

— В настоящее время мы нацеливаем разрабатываемые подходы нейромодуляции для лечения больных с повреждением спинного мозга, паркинсонизмом, инсультами, мигренью, гиперактивностью мочевого пузыря и другими висцеральными расстройствами.

— Какой следующий этап исследований планирует команда?

— Это непрерывный процесс — разработки новых нейротехнологических решений, апробация их на моделях заболеваний и дальнейшая трансляция в медицинскую практику. Мы параллельно работаем над десятками биомедицинских проектов на разной стадии переноса в клинику.

Некоторые из разработанных технологий уже активно применяются. Например, в нашей клинике нейростимуляционных технологий Центра мозга и нейротехнологий ФМБА РФ мы используем новые инновационные подходы мультисистемной нейрореабилитации для лечения пациентов с инсультами и повреждениями спинного мозга.

— Как новое исследование связано с образовательной программой «Нейротехнологии с основами биоматериаловедения» в «Сириусе»?

— Работа проводилась по гранту федеральной территории Сириус, посвященному разработке подходов терапии спинальных больных, и в рамках этого гранта в этом году открывается новая междисциплинарная магистратура. Поступившие ребята будут учиться и участвовать в исследованиях, в том числе по темам, связанным со спинальной патологией, созданием нейроинтерфейсов нового поколения.

Пресс-служба научно-технологического университета «Сириус»