Астроциты против эпилепсии

Эпилепсия — одно из самых распространенных неврологических заболеваний, и примерно в трети случаев существующие лекарства не помогают или дают серьезные побочные эффекты. Ученые Института биофизики клетки РАН нашли новый подход к ее лечению: они показали, что влиять на активность нейронов можно не напрямую, а через астроциты — клетки, которые окружают нейроны и долгое время считались лишь вспомогательными.

Активация на этих клетках А1-рецепторов запускает высвобождение ГАМК — тормозного нейромедиатора, который подавляет чрезмерное возбуждение. Это позволило более чем в 50 раз снизить дозу активатора рецепторов, а значит, уменьшить риск побочных эффектов. Работа опубликована в журнале Journal of Neurochemistry. Правда, пока результаты получены на культуре клеток крысы и на мышах — переносить их на человека напрямую нельзя, хотя молекулярные механизмы у грызунов и людей во многом схожи. Ученые уже думают о следующем применении подхода — черепно-мозговой травме, а также о боли, тревоге и нейродегенеративных болезнях. О том, как работает этот механизм, насколько реально снизить дозу в организме человека и сколько времени нужно до испытаний на людях,— интервью «Ъ-Науки» с кандидатом биологических наук, старшим научным сотрудником лаборатории клеточных механизмов нейропатологий ИБК РАН Сергеем Гайдиным.

— Внутреннее содержимое живой клетки отделено от внешней среды мембраной, состоящей из двойного слоя фосфолипидов. Для того чтобы сигнал прошел от одной клетки к другой через эти мембраны, нужны сенсоры, способные воспринимать этот сигнал. Аденозиновые А1 рецепторы — это белки, расположенные в липидном слое мембраны клеток и «чувствующие» нужную молекулу — в данном случае нуклеозид аденозин. Когда аденозин связывается с рецептором, происходит изменение формы рецептора (конформационное изменение), позволяющее ему передавать сигнал внутрь клетки посредством взаимодействия с сопряженным с ним G-белком.

В мозге аденозиновые А1 рецепторы выполняют функцию естественных «тормозов», при воздействии на которые активность нейронов снижается. С другой стороны, их можно описать как внутренние «предохранители»: при активной работе мозга во внеклеточном пространстве накапливается много аденозина (концентрация аденозина в мозге наибольшая по сравнению с другими тканями), который по принципу отрицательной обратной связи подавляет активность нейронов и препятствует переутомлению. В случае эпилепсии аденозин выступает в роли внутреннего антиэпилептического «препарата», приводящего в случае его массированного выброса клетками к прекращению приступа, однако ряд исследователей указывает на то, что дефицит аденозина может являться либо следствием развития эпилепсии, либо одной из причин заболевания, но вне зависимости от этиологии сниженная концентрация аденозина в мозге повышает риск возникновения приступов. В условиях дефицита эндогенного аденозина в мозге искусственная стимуляция А1-рецепторов видится целесообразной.

— Пренебрежение астроцитами обусловлено господствовавшей в нейробиологии десятилетиями нейроцентрической парадигмой, в рамках которой астроцитам, как и другим клеткам глии, отводилась лишь вспомогательная роль. Переломный момент «нейроцентричности» наступил в 1990-х годах, когда исследователи обнаружили возможность выброса астроцитами классических нейрональных медиаторов. Роль астроцитов в регуляции активности нейронов начала интенсивно исследоваться, однако плотное сопряжение этих двух типов клеток на структурном и функциональном уровнях как в клеточных культурах, так и в интактных тканях осложняло вычленение вклада глии (классическими фармакологическими подходами воздействие на один тип клеток без влияния на другие практически невозможно оценить в масштабах нейрон-глиальных сетей). Эта трудность и по сей день создает множество преград для фармакологии: малые синтетические или природные молекулы, которые на сегодняшний день являются основой практически всех препаратов для терапии или профилактики различного рода заболеваний, если и нацелены на нейроны, то с высокой долей вероятности действуют на астроциты по причине высокой гомологии набора рецепторов на поверхности клеток.

— Для фармакологии подобная цифра существенна, поскольку наряду со снижением концентрации действующего вещества значительно снижаются и риски развития побочных эффектов. Культура клеток — это относительно «чистый» объект, так как представляет собой двумерный слой клеток без сосудов и других тканей, поэтому препараты взаимодействуют с клетками напрямую. В организме подобной цифры ввиду наличия сосудов и тканей достичь будет сложнее и все будет зависеть от формы препарата (в нашем случае позитивного аллостерического модулятора) и способа его введения. Как раз над оптимизацией схемы введения и повышения биодоступности в экспериментах на животных сейчас работает наш коллектив. Кроме того, в экспериментах на клетках и на животных мы показали, что позитивные аллостерические модуляторы могут подавлять эпилептиформную активность или снижать вероятность возникновения приступов даже без дополнительного использования синтетических агонистов (прямых активаторов) аденозиновых А1-рецепторов, то есть за счет внутреннего ресурса аденозина. Это позволяет перейти на качественно новый уровень в борьбе с побочными эффектами. В предварительных экспериментах на животных мы показали, что модуляторы в отличие от прямых агонистов не снижали двигательной активности животных, что является примером меньших побочных эффектов.

— Мозг человека намного сложнее мозга мышей. Это проявляется как на уровне пространственной организации, так и на уровне популяционного разнообразия клеток и принципов их кооперации (взаимодействия). В связи с этим данные, полученные на культурах, не могут переноситься сразу на мозг. Но в случае аденозиновых рецепторов и, например, эпилепсии мы имеем дело с относительно универсальными молекулярными механизмами рецепторного ответа и генерации эпилептиформной активности, которые есть и у грызунов, и у человека. Более того, результаты нашей группы и исследователей из других стран указывают на то, что эпилептиформная активность в клетках нейрон-глиальных культур является коррелятом подобной активности в эпилептическом очаге в мозге человека. Электрофизиологическая активность клеток из биопсии мозга пациента с эпилепсией имеет сходные паттерны с активностью нейронов, которую мы наблюдали в наших культурах или другие исследователи в переживающих срезах мозга животных. Это ставит нас в более выгодное положение в вопросе трансляции результатов. То есть если аллостерические модуляторы А1-рецепторов подавляют или отменяют эпилептиформную активность в культуре и у мышей, то в этом контексте вероятно будут работать и в организме человека.

— Между черепно-мозговой травмой (ЧМТ) и эпилепсией есть связь: примерно в 25–50% случаев у пациентов с ЧМТ наблюдается отсроченное развитие эпилепсии (по оценкам, эпилепсия может диагностироваться и через десять лет после травмы). У нас сейчас две задачи: первая — предотвратить при помощи введения позитивных аллостерических модуляторов А1-рецепторов развитие отложенной эпилепсии у животных после моделирования у них ЧМТ; вторая задача — борьба с острыми последствиями ЧМТ, такими как избыточное возбуждение нейрональных сетей, вызванное массированным выбросом глутамата после травмы. Мы полагаем, что если модуляторы А1-рецепторов эффективно подавляли эпилептиформную активность в наших экспериментах, а эта активность, по сути, и есть следствие избыточного возбуждения нейронов, то и в случае возбуждения после травмы они тоже сработают. Да, в случае повреждения тканей мозга выбрасывается и эндогенный аденозин, который также может подавлять возбуждение. Однако его выброс локален и находится только в очаге, а возбуждающий стимул вследствие выброса глутамата распространяется мгновенно по нейрональной сети на большие расстояния от очага, нарушая тем самым слаженную работу миллионов нейронов. Поэтому с таким системным возбуждением нужно бороться системными методами.

Что касается сроков, то в случае привлечения средств для проведения доклинических исследований от успешной валидации концепции в лабораторных экспериментах до доведения веществ в клинические испытания с учетом полного цикла сертифицированных доклинических испытаний нужно закладывать пять лет при оптимистичном прогнозе.

— Сейчас мы подтвердили концепцию в моделях эпилепсии, работаем над биодоступностью и определяемся с кратностью введения. Существуют проблемы с растворимостью аллостерических модуляторов: эти препараты плохо растворимы в воде. Поэтому потребуется модификация фармацевтической формы. Как отмечено выше, эти сроки при привлечении финансирования могут занять до пяти лет.

В настоящее время для экономии средств на клинические и доклинические испытания используют подход «переосмысления» роли применяемых препаратов. То есть, например, в клинической практике применяется одобренный препарат для терапии эпилепсии, и его пробуют использовать в случае других заболеваний, например для профилактики последствий ЧМТ. В этом случае не нужно тратить время и средства на изучение фармакокинетики, фармакодинамики и оценку показателей токсичности, но от известных побочных эффектов никуда не деться. В случае аллостерических модуляторов А1-рецепторов мы имеем дело по сути с новым классом соединений, которые не применялись в клинике. Ввиду потенциальной мультиспектральности (возможности использования в различных патологиях) можно пойти по аналогичному выше пути — получить одобрение один раз и «переосмыслять» для разных заболеваний. Избежать трат на первичные доклинические испытания не получится, но если пройти их один раз, то это сэкономит время и деньги в дальнейшем.

— Да, имеющиеся в научной литературе данные позволяют предполагать использование модуляторов аденозиновых А1-рецепторов в качестве анальгетиков и транквилизаторов. Все обусловлено механизмом действия этих рецепторов, в данном случае в контексте нейронов. Для передачи болевого сигнала требуется возбуждающий импульс, который реализуется посредством выброса главного возбуждающего медиатора нервной системы, глутамата, из пресинаптической терминали нейрона и его действием на глутаматные рецепторы на постсинаптической мембране для дальнейшего распространения стимула. А1-рецепторы аденозина находятся в данном случае в выгодном положении: они есть как на пресинаптической мембране, где их активация снижает интенсивность выброса глутамата, и на постсинаптической мембране, где они снижают активность ионных каналов и подавляют дальнейшее распространение возбуждения. Аналогичный механизм генерации возбуждения в определенном приближении справедлив и для тревожных расстройств, только если в случае боли есть определенный физический очаг, в случае тревоги мы имеем дело с психикой и синергетическим эффектом, являющимся следствием избыточного возбуждения на уровне нейрональных ансамблей мозга, но в целом основная задача здесь такая же — подавить избыточное возбуждение, и А1-рецепторы могут справиться с этой задачей. С нейродегенерацией все сложнее, так как спектр нейродегенеративных заболеваний и причин их развития обширен, то есть каждая нейродегенерация нейродегенерации рознь. Здесь активаторы или позитивные аллостерические модуляторы аденозиновых А1-рецепторов могут выступать как элемент комплексной терапии в роли нейропротекторов на ранних стадиях прогрессирования заболевания, то есть они могли бы предотвращать избыточное возбуждение наиболее уязвимых нейронов, например нейронов черной субстанции, гибель которых наблюдается при болезни Паркинсона, продлевая им таким образом жизнь. С учетом текущего уровня знаний терапевтический потенциал А1 рецепторов по отношению к нейронам в контексте нейродегенеративных заболеваний лимитирован.

Для изучения ноцицептивного (обезболивающего) действия есть специальные тесты на животных, включающие болевые стимулы и реакцию животного на них. Для влияния на тревожность применяются комплексы поведенческих тестов, включающие крестообразные лабиринты, тесты на узнавание нового и социальное поведение животных. При планировании работы с А1-рецепторами мы рассматривали разнообразные их эффекты на центральную и периферическую нервную систему, поэтому арсенал поведенческих тестов подбирался таким образом, чтобы он был универсальным и затрагивал различные поведенческие реакции, тем более часть оборудования для тестов было создано сотрудниками нашей лаборатории. Поэтому в случае необходимости и привлечения средств мы можем провести более комплексное лабораторное исследование действия лигандов А1-рецепторов. В случае нейродегенеративных заболеваний наиболее близкой к тематике лаборатории является болезнь Паркинсона. Для ее моделирования используется токсическая модель, когда животному хронически вводится нейротоксин (например, MPTP), который провоцирует патологические изменения в мозге, приводящие к проявлению симптомов, отмечающихся в случае болезни Паркинсона. В нашем институте также с использованием специальных линий мышей изучают и известную всем болезнь Альцгеймера, поэтому исследования эффектов агонистов и модуляторов аденозиновых А1-рецепторов в этой патологии также представляются возможными.