Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является серьезной проблемой общественного здравоохранения. Сегодня ученые новосибирского Академгородка активно исследуют механизмы болезней нервной системы, в частности нарушений, происходящих при ЧМТ, и ищут способы их лечения. С этой целью ими был разработан метод моделирования травмы головного мозга на основе лазерного излучения, который они протестировали на рыбах зебраданио.

Исследователи смогли не только успешно реализовать модель и подтвердить ее соответствие патологии человека, но и определить вовлеченные в восстановление мозговой ткани после повреждения белки, которые могут рассматриваться как мишени при разработке лекарственных средств, применяемых для терапии нейротравм. Работы по изучению последствий ЧМТ, сопровождающихся нейродегенерацией (гибелью и нарушением функции нервной ткани головного мозга), ведутся в Научно-исследовательском институте нейронаук и медицины совместно с кафедрой нейронаук Института медицины и психологии В. Зельмана Новосибирского государственного университета, которой заведует доктор медицинских наук Любомир Иванович Афтанас. Руководителем проекта выступила заместитель директора и заведующая отделом экспериментальной нейронауки НИИНМ доктор биологических наук Тамара Геннадьевна Амстиславская.

Зебраданио (также Danio rerio – лат. или zebrafish – англ.) – это небольшая полосатая рыба семейства карповых, которая является популярным объектом для исследования во многих областях биологии и медицины, включая генетику, фармакологию, нейро- и молекулярную биологию. Геномы человека и Danio rerio содержат около 70 % общих генов, что делает ее многообещающей моделью для тестирования лекарственных препаратов и изучения различных процессов и симптомов, в том числе связанных с ЧМТ.

«У зебраданио достаточно развиты нервная система и головной мозг для моделирования процессов, соответствующих таковым у млекопитающих. При этом их несложно разводить и содержать в лабораторных условиях, а скрининг фармакологических, в том числе нейро- и психотропных, препаратов и иных терапевтических воздействий проходит гораздо быстрее, чем на грызунах. Аналогом гормона стресса у мышей и крыс служит кортикостерон, тогда как у людей и зебраданио – это кортизол, поэтому анализ стрессовых реакций у этих рыб дает более точные и корректные результаты. Объект интересен и тем, что зачастую ему не нужно ничего вводить внутрибрюшинно или внутривенно, а достаточно поместить в раствор препарата или в нашем случае анестетика (средство для наркоза)», – объясняет основной исполнитель проекта заведующая лабораторией экспериментальных моделей нейродегенеративных процессов НИИНМ доктор биологических наук Мария Александровна Тихонова.

На данный момент искусственно выведены сотни мутантных и трансгенных линий Danio rerio, так что для каждого отклонения можно определить подходящую модификацию. В работе ученые задействовали линию взрослых особей зебраданио casper с минимальным количеством пигмента (окрашенных веществ) в покровах. Благодаря прозрачности и проницаемости внешних тканей для лазерного излучения стало возможным не только смоделировать травму мозга закрытого типа без дополнительного хирургического вмешательства, но и наблюдать за ее развитием в режиме реального времени.

Главной задачей ученых было создание закрытой локализованной ЧМТ, для чего была использована оригинальная лазерная установка, разработанная сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН во главе с ведущим научным сотрудником лаборатории лазерных технологий ИТПМ СО РАН доктором физико-математических наук Николаем Анатольевичем Масловым. Рыб из экспериментальной группы поочередно помещали на влажную губку, пропитанную анестетиком из гвоздичного масла, фиксировали на подложке и направляли на правую и левую области теленцефалона (передний отдел головного мозга) лазерный луч. При этом лазер не затрагивал твердые оболочки, покрывающие мозг, а проникал сквозь них и воздействовал непосредственно на нервную ткань. Контрольная группа Danio rerio проходила аналогичные испытания, но была подвержена излучению на более короткое время и при безопасной мощности в 5 %. При разных условиях воздействия на рыб ученые смогли исключить любое стороннее влияние, помимо лазера, и сравнить полученные данные между группами.

После воздействия у рыб наблюдались различные морфологические, функциональные и макроскопические нарушения мозговой ткани, в частности побледнение всего конечного мозга и кровоизлияния в обонятельных луковицах.

«На микроскопическом уровне мы обнаружили расширение кровеносных сосудов, гибель и дегенерацию нейронов в зоне поражения. Что касается поведенческих особенностей, двигательная активность рыб после нанесения ЧМТ существенно снижалась. Большую часть времени зебраданио с ЧМТ проводили в нижней придонной зоне аквариума, что свидетельствует об их повышенной тревожности. В целом при ЧМТ у Danio rerio наблюдались типичные нарушения двигательной активности и координации, что соответствует клинической картине человека и является прямым доказательством достоверности нашей модели», – комментирует Мария Тихонова.

Поведенческие показатели рыб регистрировались автоматически при помощи программного обеспечения EthoVision XT11.5, через которое ученые вели видеонаблюдение за передвижением рыб, фиксировали их скорость, пройденный путь, частоту и продолжительность замираний.

О последствиях ЧМТ можно судить, с одной стороны, по поведенческим проявлениям, а с другой стороны, по молекулярным маркерам – белкам, которые вовлечены в процессы повреждения мозга, и чьи уровни, в зависимости от сроков нейротравмы, могут значительно меняться.

«Для ЧМТ характерны возникновение воспалительного процесса нервной ткани, гибель и дегенерация клеток мозга, – говорит ученая. – Поэтому наше внимание было сосредоточено на биомаркерах нейровоспаления, повреждения и восстановления нейронов: IBA1, NeuN и BDNF соответственно. Эти белки мы выбирали согласно тем процессам, которые по наблюдениям и представлениям о ЧМТ происходят в организме человека. Нейротрофический фактор мозга BDNF, к примеру, играет крайне важную роль во многих процессах, связанных с памятью, обучением и, как следует из его названия, в нейротрофической функции (участие в структурной организации отдельных клеток мозга и нейронной сети в целом). Сегодня специалисты активно ищут пути использования этого белка для эффективной терапии различных видов нервных и психических расстройств, включая нейротравму».

Работа проводилась при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20-65-46006). До настоящего времени подобных исследований на моделях рыб зебраданио проведено не было. В дальнейшем ученые планируют продолжать более детальное изучение коррекции нарушений лазер-индуцированной ЧМТ с помощью воздействия на нейрогенез и нейровоспаление.

Источник: «Наука в Сибири».
Текст: Полина Кустова.