КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-75-20245

НазваниеРазработка комплексной системы лечения и профилактики нейродегенеративных заболеваний на основе метаболической терапии.

РуководительМальков Антон Евгеньевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-106 - Нейробиология

Ключевые словаНейродегенеративные заболевания, энергодефицит, окислительный стресс, нейрональное воспаление, травматическая болезнь мозга, болезнь Альцгеймера, инсулиновая резистентность, пируват

Код ГРНТИ34.39.15

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нейродегенеративные заболевания представляют собой широкий спектр различных по этиологии патологий, обусловленных постепенной гибелью нервных клеток и характеризующихся неуклонно прогрессирующим неврологическим дефицитом, включая двигательные расстройства, психоэмоциональные и когнитивные нарушения, эпилептические приступы. Основными факторами риска при нейродегенеративных заболеваниях являются: гипертония, атеросклероз, метаболический синдром, диабет второго типа, инсульт и травматическое повреждение мозга. Все эти факторы характеризуются общим патологическим состоянием, называемым гипоперфузия, которое, в свою очередь, ведет к гипометаболизму, окислительному стрессу и нейрональному воспалению. Повреждающими механизмами, ответственными за клеточную гибель при ишемическом и/или травматическом повреждении мозга являются гипометаболизм, окислительный стресс и нейрональное воспаление. Тот факт, что эти нарушения возникают в результате разных типов первичного поражения, приводит к разнообразным видам повреждения клеток, а также обусловливает широкий диапазон процессов повреждения. Тяжелая травма головы приводит к первичному повреждению мембраны нервных клеток, структуры нервной ткани и сосудов головного мозга, а также к запуску механизмов вторичного повреждения. Тяжелый церебральный ишемический инсульт приводит к метаболическому стрессу, ионным нарушениям. В конце концов целый комплекс биохимических и молекулярных изменений приводит к гибели нейронов. Сходство патогенеза этих церебральных повреждений указывает на то, что терапевтическая стратегия, направленная на компенсацию энергодефицита, окислительного стресса и нейронального воспаления, может быть успешна в предотвращении последствий травмы и ишемического инсульта. С другой стороны, нарушения энергетического метаболизма в мозге, обусловленные такими факторами как метаболический синдром, гипертония, болезни сосудов головного мозга, диабет II типа могут носить менее острый характер, без четко выраженного момента запуска патологических процессов, как при травме и инсульте. В этом случае развитие нейродегенеративных изменений долгие годы будет проходить без видимых симптомов. При анализе медицинских записей пациентов с диагнозом болезнь Альцгеймера, было показано, что нарушение утилизации глюкозы в мозге, выявленное с помощью ПЭТ, наблюдалось за 10-20 лет, до появления первых клинических признаков заболевания. С 90х годов доминирующей теорией патогенеза БА являлась так называемая теория амилоидного каскада, согласно которой повышенная выработка или/и пониженная откачка токсичного бета-амилоида является основным фактором инициации и прогрессии БИ. Несмотря на признание, данная теория до сих пор не привела к разработке каких-либо эффективных препаратов для лечения когнитивных нарушений и остановке прогрессирования БА. В последние годы все более интенсивно начинает разрабатываться метаболическая концепция БА. Показано, что это заболевание связано с утилизацией глюкозы, снижением чувствительности нейрональных инсулиновых рецепторов, нарушением энергетического метаболизма мозга, что приводит к увеличению оксидативного стресса, развитию воспаления и инсулинорезистентности. В то же время, известно, что энергетические нарушения и окислительный стресс (в том числе вызванные существующим бета-амилоидом, напрямую приводят к гиперактивации бета-секретазы и повышенной продукции бета-амилоида, который в свою очередь дальше нарушает энергетический метаболизм. Таким образом, формируется патологическая спираль с обратной связью, ведущая к функциональным, молекулярным и биохимическим нарушениям, которые характеризуют БА - гибели нейронов, нарушению синаптических связей, тау гиперфосфорилированию и дальнейшему накоплению бета-амилоида. Исследования инсулиновой терапии при БА дали положительные результаты, но они не включали параллельное противовоспалительные и метаболические вмешательства. Согласно современному понимаю патогенеза БА, компенсация инсулиновой сигнализации способна нормализовать только один из нескольких каскадов болезни, таким образом оставляя большую часть патологических цепных реакций нетронутыми. Настоящий проект, развивая универсальный метаболической подход к терапии нейродегенеративных заболеваний, предлагает одновременную мульти-адресную компенсацию индуцированной при БА резистентности к инсулину, а также дефицита энергии, окислительного стресса и нейровоспаления при травматической болезни мозга с целью принципиального повышения эффективности лечения данных заболеваний.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что за время выполнения проекта будут исследованы ключевые «метаболические» мишени для лечения нейродегенерации (а именно выработка АТФ, инсулиновая и антиоксидантная системы), и определена эффективность комплексной метаболической коррекции в животных моделях дейродегенеративных заболеваний, что позволит вплотную подойти к стадии клинических испытаний. Исследования, предлагаемые в проекте, основаны на новейших концепциях в области патогенеза нейродегенеративных заболеваний будут проводиться с использованием самых современных научных методов, ресурсов и подходов. Ожидаемые результаты: 1. на системном уровне будет показана эффективность комплексной метаболической терапии для предотвращения морфофункциональных нарушений, когнитивных расстройств и гипервозбудимости на ранних стадиях нейродегенеративных заболеваний, и их нормализации на стадии полностью сформированной патологии. 2. напрямую будут показаны действия метаболической терапии на биохимические показатели мозга животных с моделями травматической болезни мозга и БА. 3. на клеточном уровне будут изучены острые эффекты гипоксии, аппликации бета-амилоида и эпилептогенов на энергетический метаболизм, продукцию АФК и нейрональную возбудимость в переживающих срезах гиппокампа для понимания защитного действия инсулина, пирувата и темпола. 5. на внутриклеточном уровне будет показан эффект защитного действия метаболической терапии на механизмы утилизации глюкозы в мозге и нарушения метаболического профиля в моделях нейродегенрации. Исследования прольют свет не только на первичные мишени при нейродегенеративных заболеваниях, но также ответят на фундаментальный вопрос о роли инсулиновой сигнализации и окислительного стресса в энергетическом метаболизме мозга, который до настоящего времени полностью не исследован. Комплексное воздействие на метаболизм мозга может принципиально повысить эффективность терапии при нейродегенеративных заболеваниях. Наш проект направлен на выяснение механизмов, лежащих в основе такой терапии, от молекулярного до поведенческого уровня. Поскольку на сегодняшний день ни один из клинических подходов не демонстрируют эффективного лечения, остро необходима успешная стратегия клинического вмешательства.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На модели травмы мозга in vivo в острый период (первые 3 суток после травмы) была применена комплексная метаболическая терапия (совместное введение пирувата, темпола и индометацина), а также исследовано влияние каждого из препаратов по отдельности. Травмированные животные проявили существенные нейрологические нарушения в ЭЭГ гиппокампа, свидетельствующие о развитии гипервозбудимости, а также проявляли признаки снижения исследовательского поведения, когнитивных способностей и сенсомоторные нарушения спустя 1 месяц. Применение комплексной терапии и антиоксиданта темпола отдельно, в значительной мере корректировало нейрологические нарушения. Как совместное введение препаратов, так и введение по отдельности, не повлияло на когнитивные и сенсомоторные нарушения, у травмированных крыс, что, вероятно, объясняется коротким периодом терапии. Однако введение темпола, отдельно и в составе комплексной терапии в острый период, в значительной мере улучшало исследовательское поведение, общую исследовательскую активность и снижало уровень беспокойства у травмированных животных. В экспериментах на переживающих мозга в различных моделях нейрологического повреждения (эпилептогенное воздействие, бета-амилоидная токсичность, реперфузионный и индуцированный окислительный стресс) было выявлено нарушение утилизации глюкозы, которое в свою очередь вело к большему окислительному стрессу и развитию гипервозбудимости. Аппликация компонентов метаболической терапии восстанавливала или предотвращала нарушенное потребление глюкозы. Пируват, апплицированный после воздействия 4-аминопиридина, перекиси водорода и реперфузионного повреждения восстановливал потребление глюкозы, до контрольного уровня. Для компенсации нарушений, вызванных инкубацией в среде с бета- амилоидоим требовалась преинкубация в среде, содержащей пируват. Инкубация в среде содержащей антиоксиданты (темпол, апоцинин, целастрол) в значительной мере снижала метаболические нарушения, а в случае эпилептогенного воздействия, предотвращала развитие судорожных разрядов. Исследование конкретных механизмов действия метаболической терапии будет продолжено на следующем этапе проекта. Также планируется исследование действия метаболической терапии при хроническом применении в период восстановления после травмы (1-3 месяца), а также на моделях хронической нейродегенерации.

 

Публикации

1. Мальков А.Е., Иванов А.И., Булдакова С., Васем Т., Попова И.Ю., Зильбертер М., Зильбертер Ю. Seizure-induced reduction in glucose utilization promotes brain hypometabolism during epileptogenesis. Neurobiology of Disease, Volume 116, August 2018, Pages 28–38 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.nbd.2018.04.016

2. Попова И.Ю., Мальков А.Е., Иванов А.И., Самохина Е.И., Булдакова С., Губкина О., Осипов А.О., Мухаммадиев Р.С., Зильбертер Т., Молчанов М.Л., Паскевич С.И., Зильбертер М., Зильбертер Ю Metabolic correction by pyruvate halts acquired epilepsy in multiple rodent models Neurobiology of Disease, 106, 244-254 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.nbd.2017.07.012.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе второго года выполнения проекта были проведены эксперименты по исследованию хронического совместного действия клеточного энергосубстрата пирувата и антиоксиданта темпола на нейрологический статус животных после травматического повреждения мозга. Выявлено, что данные препараты эффективно снижают признаки гипервозбудимости в ЭЭГ гиппокампа. Пируват и темпол оказывают выраженное нормализующее действие на исследовательское поведение и долговременную память травмированных крыс, в то время как пирацетам оказался более эффективным для предотвращения моторных нарушений. Острое применение метаболической терапии, в течение 3 дней, непостредственно после травмы, улучшает морфологические показатели ткани мозга, по-видимому предотвращая или замедляя развитие вторичной нейродегенерации и эпилептогенеза. Начаты эксперименты по исследованию эффективности метаболической терапии в предотвращении когнитивных, морфологических и биохимических нарушений в спорадической (ненаследственной) модели болезни Альцгеймера – внутрижелудочковом введении стрептозотоцина. В экспериментах на срезах мозга показаны возможные механизмы запуска судорог при активации НАДФ(Н) -оксидазы, а также потенциальная эффективность и универсальность ингибиторов данного фермента (целастрола и GSK2795039) в предотвращении острых судорог на различных моделях судорожной активности in vivo и in vitro. Данный класс препаратов может служить основой для разработки противосудорожных средств нового поколения.

 

Публикации

1. Мальков А.Е., Иванов А.И., Латышкова А.А., Брежестовский П.Д., Зильбертер М.Ю., Зильбертер Ю.И. Activation of NADPH oxidase is the primary trigger of epileptic seizures. Annals of Neurology, V.85, Issue 6, p. 907-920 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/ana.25474

2. Самохина Е.И., Самохин А.Н. Neuropathological profile of the pentylenetetrazol kindling model. International Journal of Neuroscience, V.7 p.1-11 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1080/00207454.2018.1481064

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За 3ий год выполнения проекта завершены экспериментальные работы по проверке эффективности метаболической терапии на различных моделях нейродегенеративных заболеваний. Показано, что терапия с применением пирувата, инсулина и темпола снижает экспрессию бета амилоида в спорадической болезни Альцгеймера. Долговременное применение терапии нормализует метаболический профиль мозга при травматическом повреждении. Также проведено тестирование и показана эффективность подхода с ингибированием НАДФН оксидазы, новой мишени для предотвращения судорожных расстройств и нейродегенеративных заболеваний. Показано что введение ингибитора (GSK2795039) предотвращает генерацию патологической активности после эпилептического статуса, а также в значительной мере снижает вероятность возникновения спонтанных судорог при повреждении мозга. Применение данного класса препаратов, также предупреждает нарушение утилизации глюкозы в ткани мозга, являющееся ключевым звеном в развитии множества нейропатологий.

 

Публикации

1. Е. И. Самохина, А. Е. Мальков, А. Н. Самохин, И. Ю. Попова ХРОНИЧЕСКОЕ ИНТРАЦЕРЕБРОВЕНТРИКУЛЯРНОЕ ВВЕДЕНИЕ 2-ДЕЗОКСИ-D-ГЛЮКОЗЫ ВЫЗЫВАЕТ МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ НАРУШЕНИЯ ДОРСАЛЬНОГО ГИППОКАМПА ПО РОСТРОКАУДАЛЬНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2020, том 70, № 3, с. 412–422 (год публикации - 2020)

2. Е. Самохина, А. Мальков, А. Самохин, И. Попова Selective hippocampal cell damage and mossy fiber sprouting induced by chronic intracerebral injections of 2-deoxy-D-glucose General Physiology and Biophysics, 39, 99–106 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.4149/gpb_2019048

3. И. Е. Мысин, И. Ю. Попова ГЕНЕРАЦИЯ ТЕТА-РИТМА В СЕПТО-ГИППОКАМПАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ И ЭПИЛЕПСИЯ РОССИЙСКИЙ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ им. И.М. СЕЧЕНОВА 2019,, том 105, No 4, с. 401–415 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S086981391904006X

4. Мальков А., Попова И., Иванов А., Сунг-Су Чжан, Со Ён Юн, Осипов А., Хуанг Ю., Зильбертер Ю., Зильбертер М. Aβ initiates brain hypometabolism, network dysfunction and behavioral abnormalities via NOX2-induced oxidative stress in mice Communications Biology, Commun Biol 4, 1054 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s42003-021-02551-x

Возможность практического использования результатов
Результаты работы, как мы надеемся, могут быть использованы при лечении судорожных расстройств, возрастных деменций, болезни Альцгеймера, а также при восстановлении после травматического повреждения мозга.