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 19-15-00044

НазваниеЗадержка созревания мозга в ранний постнатальный период как предпосылка развития болезни Альцгеймера

РуководительКолосова Наталия Гориславовна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г.  , продлен на 2022 - 2023. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-401 - Молекулярная и клеточная медицина

Ключевые словаБолезнь Альцгеймера, молекулярно-генетические предпосылки, патогенез, нейрогенез, модель, преждевременно стареющие крысы OXYS

Код ГРНТИ34.03.27 34.15.65


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Возраст - наиболее значимый фактор риска спорадической формы болезни Альцгеймера (> 95% случаев заболевания, далее - БА) – самой распространенной сенильной деменции, при которой первые признаки когнитивных нарушений проявляются в возрасте старше 65 лет на фоне необратимых нейродегенеративных изменений, развивающихся в течение многих лет бессимптомно. Заболеваемость БА катастрофически растет на фоне увеличения продолжительности жизни, что диктует необходимость поиска путей подавления ее развития на самых ранних этапах. Как критический для запуска патологических процессов период все чаще рассматривается средний возраст, но вопрос о том, когда начинает развиваться БА и что этому способствует, остается открытым. Только недавно исследователи обратили внимание на то, что уже в ранний постнатальный период жизни, когда завершается развитие мозга, могут формироваться предпосылки к снижению когнитивных способностей в более позднем возрасте и ускоренному старению - основному фактору риска развития БА. Настоящий проект направлен на исследование особенностей завершения созревания мозга в постнатальный период на фоне дисфункции митохондрий как возможной предпосылки развития спорадической формы БА. В последние годы получены убедительные доказательства справедливости гипотезы «митохондриального каскада» (Swerdlow, Kahn, 2004), согласно которой в основе патогенеза спорадической формы БА лежит развивающаяся с возрастом дисфункция митохондрий. Наши исследования на крысах OXYS – уникальной модели спорадической формы БА - с одной стороны, подтвердили справедливость митохондриальной гипотезы, с другой – позволили поставить вопрос о том, что генетически детерминированные структурно-функциональные изменения митохондрий могут влиять на процесс созревания мозга в ранний постнатальный период и определять таким образом предрасположенность к развитию в дальнейшем БА. Задачи проекта: 1) сопоставить динамику фенотипических проявлений созревания мозга крыс OXYS и Вистар (контроль) в ранний постнатальный период (формирование двигательных стереотипов и безусловных рефлексов); 2) изучить особенности развития гиппокампа крыс OXYS в ранний постнатальный период – оценить интенсивность и динамику нейро- и глиогенеза, определить характер васкуляризации гиппокампа, особенности развития мшистых волокон гиппокампа; 3) оценить эффективность формирования межнейронных связей и характер элиминации избыточных клеток в гиппокампе и префронтальной коре; 4) для оценки связи развития у крыс OXYS признаков БА с особенностями созревания их мозга провести анализ транскриптома гиппокампа и префронтальной коры (клетко-специфичный анализ полученных ранее данных RNAseq) для определения генов, дифференциально экспрессирующихся в нейронах, астроцитах, олигодендроцитах, микроглии и клетках эндотелия сосудов в период, предшествующий развитию признаков БА, период их манифестации и активной прогрессии; 5) сопоставить выявленные особенности развития мозга крыс OXYS с состоянием митохондриального аппарата нейронов - эффективностью энергетического метаболизма по уровню высокоэнергетических фосфатов, состоянием биогенеза и динамики митохондрий, активностью их транспорта и распределением по внутриклеточным компартментам нейронов гиппокампа и коры мозга крыс OXYS; 6) провести поиск у крыс OXYS однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs) в генах, ассоциированных с митохондриями и нейрогенезом, определить потенциальные гены-кандидаты, с которыми могут быть связаны нарушения функций митохондрий и особенности созревания мозга крыс OXYS.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены новые данные о молекулярно-генетических предпосылках и механизмах развития наиболее распространенной (~95%) спорадической формы болезни Альцгеймера (БА), знание которых необходимо для разработки новых способов ранней диагностики, профилактики и лечения заболевания. Согласно результатам недавних исследований, траекторию развития мозга и вероятность развития БА в дальнейшем могут определять предпосылки, возникающие в раннем возрасте в период постнатального завершения развития мозга, в том числе - малый вес при рождении и образование аберрантных нейронных сетей, обусловленное генетическими и/или средовыми факторами. Механизмы и возможные субстраты, лежащие в основе этих длительных эффектов, остаются неясными. На уникальной модели спорадической формы БА - линии преждевременно стареющих крыс OXYS (ИЦиГ СО РАН) - будет проведена проверка предположения о том, что связанные со структурно-функциональными изменениями митохондрий особенности созревания мозга в ранний постнатальный период могут способствовать ускоренному старению мозга и развитию в дальнейшем БА. Мы надеемся, что будут получены новые знания о возникающих в раннем возрасте в период постнатального созревания мозга предпосылках развития БА, которые будут полезны для прогноза развития заболевания и разработки новых стратегий его профилактики. Также мы полагаем, что результаты наших экспериментальных исследований будут полезны для осознания ситуации, которая складывается в развитых странах, где от 5 до 13% новорожденных рождается раньше срока (<37 недель). Анализ имеющейся на сегодня литературы позволяет предполагать, что даже недоношенные дети, рожденные на 33-34 неделе гестации и позже, подвержены риску раннего развития нейродегенеративных заболеваний. Данные экспериментальных исследований будут представлены в серии публикаций. Гарантией успешной реализации настоящего проекта является традиционно высокий уровень исследований участников проекта, о котором свидетельствуют публикации в высокорейтинговых международных журналах


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на исследование особенностей завершения созревания мозга в постнатальный период на фоне дисфункции митохондрий как возможной предпосылки развития наиболее распространенной (~95%) спорадической формы болезни Альцгеймера (БА). Работа проводится на уникальной модели спорадической формы БА - линии преждевременно стареющих крыс OXYS (ИЦиГ СО РАН), у которых в отсутствие характерных для ранней формы БА мутаций развиваются все ключевые признаки заболевания. В отчетный период подтверждено, что у крыс OXYS действительно имеет место задержка созревания мозга, косвенные признаки которой мы наблюдали ранее. Об этом свидетельствует задержка формирования развития фенотипических признаков физического развития и рефлексов у животных после рождения, а также запаздывание пика постнатального нейрогенеза в зубчатой извилине гиппокампа крыс OXYS. Задержка созревания нейронов приводит к изменениям формирования мшистых волокон: укорочению супрапирамидального пучка и увеличению длины инфрапирамидального пучка, менее выраженной фасцикуляции аксонов гранулярных клеток, а также меньшему размеру и неправильной форме ядер в пирамидном слое CA3 гиппокампа. Эти признаки формируются на фоне измененной миграции астроцитов. Причиной задержки развития мозга крыс OXYS может быть сокращение срока беременности. Установлено, что ее продолжительность у крыс OXYS меньше, чем у крыс Вистар (контроль) ~ на 1 сутки (р < 0,0003), у них снижены количество крысят в помете и их масса тела при рождении, но к Р10 (десятому дню после рождения) различия нивелируются. Такое сокращение гестации сопоставимо с её сокращением на 1,5 недели у людей, что не позволяет рассматривать крысы OXYS как недоношенных, но позволяет заключить, что они рождаются с недостаточной массой тела. Объективный показатель соответствия зрелости организма его биологическому возрасту - формирование параметров физического развития в период от рождения до полового созревания. Его оценивали по стандартным для грызунов фенотипическим проявлениям: срокам отлипания ушной раковины, появлению первичного волосяного покрова, прорезыванию резцов, открытию глаз, опусканию семенников у самцов и открытию влагалища у самок, возрасту формирования рефлексов, навыков координации тела в пространстве и различных видов двигательной активности. Выявлено отставание крыс OXYS от крыс Вистар по срокам формирования всех исследованных параметров, которое может быть обусловлено сокращением продолжительности гестации. Масса мозга при рождении и в Р1, Р5 и Р7 у крыс OXYS была меньше, а в Р10 – больше, чем у крыс Вистар. При этом индекс массы мозга (доля его массы от массы тела) у крыс OXYS в Р5, Р7 и Р14 больше, чем у Вистар, что может отражать задержку направленного на элиминацию неинтегрированных в сети нейронов постнатального апоптоза, в пользу которого свидетельствует его усиление в коре мозга 20-дневных крыс OXYS (Telegina et al., 2019). На третий триместр беременности у человека приходится самый интенсивный рост мозга, пик глиогенеза и установление гематоэнцефалического барьера - процессы развития, которые у крыс у крыс происходят в P0-P10 (Semple et al., 2013). Задержка формирования рефлексов и физического развития у крыс OXYS может быть обусловлена изменениями постнатального нейрогенеза и образования мшистых волокон в зубчатой извилине гиппокампа у крыс OXYS. Продольные размеры гиппокампа у крыс OXYS в Р5, Р10 и Р14 меньше, чем у крыс Вистар, но к Р21 различия нивелируются. Иммуногистохимическое исследование плотности пролиферирующих клеток и покоящихся нейрональных стволовых клеток (НСК) не выявило различий между крысами OXYS и Вистар: она закономерно снижается к Р10 и не меняется до Р20. Напротив, плотность нейрональных клеток-предшественников (НКП) к Р10 возрастает, отражая дифференцировку НСК в нейрональном направлении. К Р14 плотность НКП снижается и не меняется до Р20, что указывает на снижение интенсивности нейрогенеза и завершение созревания мозга. В зубчатой извилине крыс OXYS в Р0 плотность НКП снижена, а к Р1 возрастает до уровня крыс Вистар. В Р10 плотность НКП у крыс OXYS меньше, а в Р20 – больше, чем у крыс Вистар. Формирование зубчатой извилины гиппокампа у крыс начинается в эмбриональный день 16, но до 85% гранулярных клеток созревает после рождения. Исследование созревания мшистых волокон в гиппокампе на переживающих срезах (с флуоресцентным нейротрейсером DiI) показало, что супрапирамидный пучок (SPB) у крыс OXYS формируется позже, чем у Вистар, у которых в Р0 он уже сформирован, а у OXYS в области SPB наблюдаются одиночные аксоны. Волокна, образующие супра- и инфрапирамидный (IPB) пучки, у крыс OXYS менее компактны в течение всего раннего постнатального периода, что указывает на сниженную активность фасцикуляции аксонов зернистых клеток. В Р5 и Р21 относительная длина SPB у крыс OXYS меньше, а относительная длина IPB в Р5, Р14, Р21 и Р45 – больше, чем у Вистар, начальные участки SPB и IPB - шире, но эти различия нивелируется к Р45. Пирамидные нейроны поля СА3 у крыс OXYS расположены более «рыхло», их ядра мельче и часто неправильной формы. Количество гигантских мшистых синапсов у крыс OXYS снижено, но сроки начала синаптогенеза не изменены. Поиск полиморфизмов (на основе данных RNA-seq префронтальной коры, гиппокампа и сетчатки крыс OXYS и Вистар; как референсный, использовали геном крыс линии BN/NhsdMcwi) выявил 392 специфичных для крыс OXYS мутаций в 155 генах, ассоциированных с митохондриями. Две из них - в генах Fbxl4 и Slc25a32 - могут влиять на структуру и/или функцию белка и вносить вклад в нарушение функций митохондрий у крыс OXYS. Продукт гена Fbxl4 участвует в регуляции митохондриального гомеостаза, мутации в нем приводят к развитию тяжелой митохондриальной энцефалопатии с нарушением обслуживания мтДНК, функций дыхательной цепи митохондрий, к нарушению развития нервной системы (El-Hattab et al., 2017). Продукт гена Slc25a32 участвует в транспорте через внутреннюю мембрану митохондрий фолатов, необходимых для синтеза предшественников ДНК и РНК, метаболизма аминокислот и реакции метилирования. Нокаут гена Slc25a32 вызывает дефект нервной трубки у мышей (Chen et al., 2016). Выявлено 40 мутаций, приводящих к структурным изменениям белков и/или влияющих на их функцию, способных способствовать развитию нейродегенеративных процессов у крыс OXYS. Большинство из них - в генах, связанных со старением (Csnk1e, Ephx1 и Acat2) и нейродегенеративными заболеваниями (Ephx1, Chrna5, Trappc9, Man2c1, Pcm1, Zmym6, Ano10, Pla2r1, Nqo2, Entpd3, Upf3a, Akap6, Aldh16a1 и др.). Из мутаций, ранее не ассоциировавшихся со старением, - мутация в гене Lemd2, продукт которого участвует в организации структуры ядра, передаче сигналов и дифференцировке клеток. Мутация LEMD2 связана с ювенильной катарактой (Boone et al. 2015), и, как недавно показаано, приводит к прогероидному фенотипу лица у людей (Marbach et al., 2019) и вызывает ускоренное старение миокарда (Abdelfatah et al. 2019). Важно, что спонтанная катаракта была основой селекции крыс OXYS, сцеплено с которой они унаследовали синдром преждевременного старения, одним из проявлений которого становится развитие признаков БА. Для оценки связи развития у крыс OXYS признаков БА с особенностями созревания их мозга был проведен клетко-специфичный анализ транскриптома гиппокампа и префронтальной коры (данных RNA seq) и определены гены, дифференциально экспрессирующиеся (ДЭ) в период, предшествующий развитию признаков БА (возраст 20 дней), в период их манифестации (5 мес.) и активной прогрессии (18 мес.). Установлено, что в 20 дней у крыс OXYS количество ДЭ генов в нейронах, астроцитах, олигодендроцитах, микроглии и клетках эндотелия сосудов в обеих структурах мозга сопоставимо. В 5 мес. соотношение количества ДЭ генов во всех исследованных типах клеток изменилось и было больше в префронтальной коре. Наиболее существенно (более, чем вдвое) к периоду манифестации признаков БА у крыс OXYS изменялось количество ДЭ генов в нейронах (снижалось в гиппокампе и росло в коре мозга), олигодендроцитах коры мозга (увеличивалось) и микроглии гиппокампа (снижалось). К 18 мес. количество ДЭ генов во всех исследованных типах клеток гиппокампа и коры мозга значительно возросло. Выявлены гены, потенциально способные вносить вклад в развитие признаков БА у крыс OXYS: Col23a1, кодирующий трансмембранный коллаген XXIII типа, Slc7a4, кодирующий трансмембранный аминокислотный транспортер 4, и митохондриальный ген Hmgcs2. Продукт гена Hmgcs2 участвует в кетогенезе, активация которого в мозге на фоне снижения метаболизма глюкозы является ранним признаком БА. Уровень мРНК генов Col23a1, Slc7a4 и Hmgcs2 в гиппокампе и префронтальной коре мозга крыс OXYS примерно вдвое выше, чем у крыс Вистар как в период, предшествующий развитию у них признаков БА, так и в период их манифестации и активной прогрессии.

 

Публикации

1. Девяткин В.А., Редина О.Е., Колосова Н.Г., Муралева Н.А. Single-nucleotide polymorphisms associated with the senescence-accelerated phenotype of OXYS rats: a focus on Alzheimer’s disease-like and age-related-macular-degeneration-like pathologies Journal of Alzheimer's Disease, Volume 73, issue 3 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3233/JAD-190956

2. Стефанова Н.А., Ершов Н.И., Колосова Н.Г. Suppression of Alzheimer's Disease-Like Pathology Progression by Mitochondria-Targeted Antioxidant SkQ1: A Transcriptome Profiling Study Oxid Med Cell Longev, 15;2019:3984906. Article ID 3984906, 17 pages (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1155/2019/3984906

3. Телегина Д.В., Суворов Г.К., Кожевникова О.С., Колосова Н.Г. Mechanisms of Neuronal Death in the Cerebral Cortex during Aging and Development of Alzheimer's Disease-Like Pathology in Rats International Journal of Molecular Sciences, 20(22), 5632. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/ijms20225632

4. - Зачатки развития болезни Альцгеймера в младенчестве ищут ученые Академгородка ГТРК, "Вести Новосибирск", https://www.youtube.com/watch?v=cWdh2BZk7Qw&feature=youtu.be (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведенные в отчетный период исследования плотности клеток нейронального (нейробластов, незрелых и зрелых нейронов) и глиального (незрелых и зрелых астроцитов, микроглии) рядов, интенсивности апоптоза в гиппокампе и префронтальной коре крыс в критический период постнатального развития мозга (в возрасте Р0 – Р20) подтвердили выявленный ранее феномен задержки созревания мозга у крыс OXYS. В соответствии с литературными данными, при рождении (в Р0) >90% клеток коры головного мозга крыс Вистар (контроль) и OXYS представлены нейронами, в гиппокампе на долю нейронов у крыс Вистар приходится 80%, у OXYS - 75% клеток. В период с Р0 до Р7 во всех слоях коры закономерно растет доля зрелых и снижается - незрелых нейронов, увеличился диаметр их ядер, при этом межлинейные различия отсутствуют. В гиппокампе за этот период количество зрелых нейронов у крыс Вистар увеличивается вдвое, у OXYS - в 3,4 раза, но при этом диаметр ядер нейронов у них снижен. При рождении плотность нейробластов в гиппокампе крыс OXYS выше, чем у крыс Вистар и наблюдается тенденция к увеличению плотности незрелых нейронов. К Р1 плотность клеток нейронального ряда у крыс OXYS и Вистар во всех регионах гиппокампа сравнивается, кроме зубчатой извилины, в которой сохраняется тенденция к увеличению плотности нейробластов. Однако в Р3 плотность зрелых нейронов в поле СА3 гиппокампа крыс OXYS становится в 2,5 раза меньше, чем у Вистар, с чем, можно полагать, связана выявленная на первом этапе выполнения проекта задержка формирования мшистых волокон (Rudnitskayaetal., 2020). В Р10 в зубчатой извилине гиппокампа крыс OXYS была повышена плотность нейробластов и незрелых нейронов, но к Р20 межлинейные различия нивелировались. Известно, что глия управляет нейрогенезом, регулирует миграцию нейронов, рост аксонов, ангиогенез, формирование синапсов и, в конечном итоге, созревание и функционирование нейронных сетей. Соответственно, дисфункция клеток глии в период развития мозга может приводить к его нарушению и, как предполагается, вносить вклад в развитие нейродегенративных заболеваний в дальнейшем. Основной тип глиальных клеток - астроциты, которые являются важными регуляторами образования и функционирования синапсов, формирования межнейронных связей во время развития мозга. Установлено, что при рождении плотность астроцитов и их предшественников в гиппокампе и префронтальной коре мозга крыс OXYS значительно ниже, чем у крыс Вистар. В возрасте Р1 в коре мозга сохраняется тенденция к снижению плотности астроцитов, а к Р3 она становится в I слое коры и в гиппокампе крыс OXYS значительно выше, чем у крыс Вистар. В Р7 во всех слоях коры и во всех регионах гиппокампа крыс OXYS плотность астроцитов вновь становится меньше, чем у крыс Вистар. Однако в Р20 плотность как самих астроцитов, так и их предшественников в зубчатой извилине гиппокампа крыс OXYS повышена, что может быть обусловлено нарушением миграции астроцитов из зубчатой извилины в другие области коры. В пользу этого свидетельствует нарушение у крыс OXYS распределения клеток астроцитарного ряда по слоям коры уже при рождении: снижение, по сравнению с крысами Вистар, доли астроцитов и их предшественников в I слое и повышение доли предшественников астроцитов в IV-VI слоях коры мозга. В течение первой недели жизни межлинейные различия в распределении клеток астроцитарного ряда по слоям коры нивелируются. В гиппокампе выявлены более существенные межлинейные различия: у крыс Вистар плотность астроцитов плавно возрастает с возраста Р0 до Р7, а у крыс OXYS она значительно увеличивается в первые сутки после рождения и резко снижается с возраста Р3 до Р7. При этом динамика изменений плотности астроцитов в префронтальной коре и плотности предшественников астроцитов в коре и гиппокампе у крыс OXYS и Вистар не различается. Микроглия в развивающемся головном мозге влияет на нейро-, глио- и ангиогенез, а нарушение микроглиального окружения может искажать программу развития мозга и способствовать нейропатологиям. Выявлена тенденция к уменьшению, по сравнению с крысами Вистар, плотности микроглии в коре мозга крыс OXYS в Р3 и значительное её снижение за счёт плотности покоящейся микроглии в Р7. Плотность активированной микроглии у крыс OXYS и Вистар не различалась. Более существенные межлинейные различия выявлены в гиппокампе: у крыс OXYS при рождении плотность покоящейся микроглии вдвое, а активированной – в 1,5 раза меньше, чем у крыс Вистар, в Р1 она оставалась сниженной за счёт активированных, а в Р3 и Р7 - за счёт покоящихся клеток. Анализ расположения различных типов клеток относительно сосудистого русла показал, что в мозге крыс обеих линий исследованных возрастных групп сосуды окружены астроцитами, что указывает на эффективное формирование гематоэнцефалического барьера.Таким образом, можно полагать, что выявленные нами изменения астроцитов и микроглии в гиппокампе и префронтальной коре мозга вносят вклад в характерные для крыс OXYS отклонения в развитии головного мозга и, возможно, в раннее развитие у них нейродегенеративных изменений. Развитие нервной системы сопровождается обеспечивающим удаление избыточных нейронов апоптозом, который происходит в период пре- и постнального развития ЦНС двумя волнами. У грызунов пик первой волны приходится на середину эмбриогенеза и по времени совпадает с пиком нейрогенеза: элиминируются делящиеся клетки и нейробласты, формируется пул нейрональных клеток-предшественников. Установлено, что при рождении в гиппокампе крыс OXYS количество гибнущих апоптозом клеток вдвое больше, чем у крыс Вистар, оно остается повышенным в Р1 и Р3, межлинейные различия нивелируются к Р7. Сопоставляя динамику изменений плотности клеток различных типов, можно предположить, что увеличение количества апоптотических клеток в Р3 происходит за счёт астроцитов. Во вторую волну апоптоза, которая способствует установлению правильных синаптических связей и формированию корректных нейрональных сетей (у грызунов она приходится на 2 неделю постнатального развития), гибнут мигрирующие и дифференцирующиеся постмитотические нейроны, образовавшие аберрантные синапсы. В Р10 количество гибнущих апоптозом клеток в зубчатой извилине крыс OXYS меньше, а в Р20 – больше, чем у крыс Вистар, что указывают на задержку обеих волн апоптоза в гиппокампе крыс OXYS. В возрасте Р0, Р7, Р14 и Р20 исследовали содержание основного регулятора биогенеза митохондрий белка PGC1a (коактиватора рецептора-γ, активируемого пролифераторомпероксисом). Выявлено снижение его уровня как в префронтальной коре мозга, так и в гиппокампе крыс OXYS сразу после рождения – в Р0, которое наблюдалось также в Р7 в гиппокампе, а в Р20 – в коре. Такие результаты указывают на изменения процесса биогенеза митохондрий в период постнатального созревания мозга крыс OXYS. Действительно, электронно-микроскопическое исследование выявило у крыс OXYS двукратное, по сравнению с крысами Вистар, увеличение количества митохондрий в дендритных (в P0) и аксональных (в P14) терминалях нейронов коры мозга. В телах нейронов коры межлинейные различия отсутствовали, но относительное количество находящихся в процессе деления и/или слияния митохондрий у крыс OXYS было меньше втрое, что указывает на существенное снижение интенсивности митохондриальной динамики. Исследование на переживающих срезах гиппокампа с помощью потенциал-чувствительных митохондриальных красителей в возрасте Р7 выявило снижение суммарного объема митохондрий в телах нейронов крыс OXYS, при этом у животных обеих линий степень поляризации митохондрий в отростках была на 20% выше, чем в телах нейронов.

 

Публикации

1. Бурняшева А.О., Козлова Т.А., Стефанова Н.А., Колосова Н.Г., Рудницкая Е.А. Cognitive Training as a Potential Activator of Hippocampal Neurogenesis in the Rat Model of Sporadic Alzheimer's Disease Int J Mol Sci., - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/ijms21196986

2. Девяткин В.А., Редина О.Е., Муралева Н.А., Колосова Н.Г. Single-Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Both Associated with Hypertension and Contributing to Accelerated-Senescence Traits in OXYS Rats Int J Mol Sci., 21(10): 3542 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/ijms21103542

3. Рудницкая Е.А., Козлова Т.А., Бурняшева А.О., Тарасова А.Е., Панкова Т.М., Старостина М.В., Стефанова Н.А., Колосова Н.Г. Features of Postnatal Hippocampal Development in a Rat Model of Sporadic Alzheimer's Disease Frontiers in Neuroscience, 14:533 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3389/fnins.2020.00533

4. - В ИЦиГ СО РАН связали болезнь Альцгеймера с развитием в раннем возрасте Научная Россия, 8 июля 2020 (год публикации - )

5. - Мина замедленного действия. Корни болезни Альцгеймера ищут в младенчестве Поиск, - (год публикации - )

6. - Ученые связали болезнь Альцгеймера с развитием в младенческом возрасте РНФ, - (год публикации - )

7. - Ученые связали болезнь Альцгеймера с развитием в младенческом возрасте Российская газета, 03.07.2020 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Предполагается, что образование аберрантных нейронных сетей в период завершения созревания мозга в ранний постнатальный период, обусловленное генетическими и/или средовыми факторами, может иметь отдаленные последствия и способствовать развитию спорадической формы болезни Альцгеймера (БА). В соответствии с планом, на последнем этапе оценивали эффективность формирования межнейронных связей в гиппокампе и коре мозга крыс OXYS и Вистар в ранний постнатальный период (в возрасте Р0, Р7, Р14 и Р20) методами электронной микроскопии. Результаты исследования подтвердили выявленный ранее феномен задержки созревания мозга крыс OXYS. Установлено, что при рождении популяция синапсов в префронтальной коре крыс OXYS снижена вдвое по сравнению с крысами Вистар (контроль). К концу первой недели жизни в коре мозга крыс OXYS значительно усиливается синаптогенез, очевидно, обусловленный компенсацией его задержки в перинатальный период, и происходит активное формирование межнейронных контактов. В гиппокампе крыс обеих линий формирование функционально активных контактов по времени закономерно происходит раньше, чем в коре мозга, но у крыс OXYS позже, чем у крыс Вистар, и менее эффективно. В пользу этого свидетельствует выявленная нами у крыс OXYS ранее задержка формирования мшистых волокон в гиппокампе (Rudnitskaya et al., 2020). Сниженная эффективность формирования межнейронных контактов в мозге крыс OXYS в первую неделю жизни может быть обусловлена недостаточностью астроцитарной и микроглиальной поддержки – ключевых регуляторов функционирования нейронных сетей (Rudnitskaya et al., 2021). К концу второй недели жизни в гиппокампе и префронтальной коре удельное содержание функционально зрелых синапсов становится выше у крыс обеих линий, но формирование межнейронных контактов у крыс OXYS происходит, можно полагать, с более высокой, чем у крыс Вистар, активностью. К концу третьей недели жизни, периоду завершения формирования структур головного мозга крыс, в гиппокампе и в префронтальной коре крыс Вистар плотность синапсов повышается, у крыс OXYS – практически не меняется и в результате становится ниже, чем у Вистар. Более того, количество функционально зрелых контактов в обеих структурах мозга крыс OXYS становится меньше и, судя по анализу на ультраструктурном уровне, синапсы находятся в гиперактивном состоянии. Особенности динамики формирования межнейронных контактов в гиппокампе и префронтальной коре мозга крыс OXYS в ранний постнатальный период хорошо согласуются с результатами исследования транскриптомов (с данными RNA-seq, полученными в отчетный период) гиппокампа и префронтальной коры мозга крыс OXYS и Вистар в P3 и P10 – в возрастные периоды, в которые наблюдаются наиболее значительные различия в нейро- и глиогенезе. По предварительным данным, изменения экспрессии генов у крыс OXYS (>2000 в коре мозга и >1000 в гиппокампе в Р3) связаны с процессами нейро- и глиогенеза, миграцией нейронов, ростом аксонов, ангиогенезом, формированием синапсов, а также с функциями митохондрий. Основой успешной дифференцировки и созревания нейронов, формирования нейронных сетей и завершения формирования мозга в целом является оптимальный, соответствующий запросу на энергетические ресурсы биогенез митохондрий. При рождении в коре мозга крыс OXYS на фоне значительно сниженной плотности синапсов выявлено двукратное, по сравнению с крысами Вистар, увеличение доли дендритных и аксональных терминалей, в которых локализуются митохондрии. В Р7 и Р14 удельное количество митохондрий в аксонах коры мозга крыс OXYS вдвое выше, чем у крыс Вистар, что указывает на активизацию снабжения их терминалей митохондриями на фоне усиленного образования межнейронных контактов. При этом к возрасту P20 у крыс Вистар доля митохондрий в аксонах повышается, а у OXYS - снижается и становится меньше, чем у крыс Вистар, что отражает различия в динамике созревания отростков нейронов и их потребности в АТФ. С возраста Р7 к Р20 в отростках нейронов коры мозга удельное количество митохондрий повышается у крыс обеих линий и становится у крыс OXYS больше, чем у Вистар. Интенсивность митохондриальной динамики в отростках нейронов – доли митохондрий, находящихся в процессе слияния/деления - в Р0 у крыс OXYS почти вдвое, а в P7 она почти втрое выше, чем у крыс Вистар, и к P14 снижается до уровня крыс Вистар. При этом в телах нейронов межлинейных различий в интенсивности митохондриальной динамики не выявлено ни в одной из исследованных возрастных групп, а удельное количество митохондрий было больше у крыс OXYS только в P14. В гиппокампе крыс OXYS в возрасте P7 доля аксональных терминалей, содержащих митохондрии, больше, а к P14 различия нивелируются за счет увеличения этого параметра у крыс Вистар. Общее количество митохондрий в отростках нейронов гиппокампа крыс обеих линий последовательно нарастает с возраста P7 к P20, увеличиваясь вдвое у крыс Вистар и втрое - у OXYS. Доля митохондрий, локализованных в дендритных терминалях гиппокампа, с возраста Р14 до Р20 снижается у OXYS и не меняется - у Вистар, в результате чего межлинейные различия по этому параметру нивелируются. Таким образом, в процессе постнатального созревания мозга удельное количество митохондрий в отростках нейронов коры и гиппокампа растет у крыс обеих линий. При этом у крыс OXYS повышены доля содержащих митохондрии аксонов и количество митохондрий: в гиппокампе - в возрасте Р7, а в коре - в P7 и P14 на фоне увеличения активности митохондриальной динамики. Такие результаты отражают различия его динамики в коре и гиппокампе крыс Вистар и OXYS и косвенно указывают на увеличение потребности аксонов в АТФ на фоне усиленного синаптогенеза. Однако мы не обнаружили признаков дефицита АТФ в нейронах гиппокампа крыс OXYS - исследование на переживающих срезах гиппокампа трансмембранного потенциала митохондрий поля CA1 в возрасте P7, P14 и P20 не выявило значимых межлинейных различий в его уровне. В процессе завершения созревания мозга в ранний постнатальный период наряду с биогенезом митохондрий, их динамикой важную роль играет транспорт митохондрий, необходимый для снабжения отростков нейронов АТФ и для их правильного формирования их контактов. В коре мозга и гиппокампе животных в возрасте Р0, Р7, Р14 и Р20 исследовали содержание основного регулятора биогенеза митохондрий белка PGC1a, адаптернарных белков транспортной системы митохондрий – GTP-фаз Miro1 и Miro2, обеспечивающих связывание митохондрий с транспортными белками динеином и кинезинами, а также содержание кинезинов TRAK1 и TRAK2 и белка синтафилина, отвечающего за удержание митохондрий в синаптических терминалях. Показано, что сразу после рождения – в Р0 уровень белка PGC1a снижен как в префронтальной коре мозга, так и в гиппокампе крыс OXYS, в Р7 он снижен в гиппокампе, а в Р20 – в коре, что указывает на изменения процесса биогенеза митохондрий в период постнатального созревания мозга крыс OXYS. В обеих структурах мозга синтафилин присутствует на очень низком уровне, который не отличается у крыс OXYS и Вистар. В период от рождения до Р20 не выявлено значимых изменений содержания белков Miro1, Miro2 и TRAK1 в гиппокампе крыс OXYS, и только содержание TRAK2 увеличилось к возрасту Р20, но не превысило значений одновозрастных крыс Вистар. В коре крыс OXYS только содержание Miro2 в возрасте Р7 и Р14 было выше, чем у Вистар, а к возрасту Р20 межлинейные различия нивелировались за счет резкого снижения уровня белка у крыс OXYS. Вне плана исследовали состояние глиальной поддержки гиппокампа на разных стадиях развития у крыс OXYS признаков БА и влияние на неё митохондриального антиоксиданта SkQ1, способность которого подавлять развитие признаков БА у крыс OXYS доказана ранее. Установлено, что у крыс OXYS развитие признаков БА происходит на фоне сниженной интенсивности нейрогенеза в нейрогенной нише гиппокампа и его слабой поддержки астроцитами. Прогрессия заболевания сопровождается реактивным астроглиозом и активацией микроглии, на что указывают увеличение плотности клеток астроглии и изменения профилей экспрессии специфических генов. Прием SkQ1 с возраста 12 до 18 мес. частично нормализовал экспрессию генов, изменил соотношение клеток покоящейся / активированной микроглии - снизил плотность активированных клеток. Таким образом, SkQ1 проявил противовоспалительный эффект, с которым, можно полагать, связана его способность подавлять накопление амилоида бета, повреждения синапсов и гибель нейронов, выявленная ранее.

 

Публикации

1. Муралёва Н.А., Колосова Н.Г., Стефанова Н.А. MEK1/2-ERK Pathway Alterations as a Therapeutic Target in Sporadic Alzheimer's Disease: A Study in Senescence-Accelerated OXYS Rats Antioxidants, 10, 7, 1058 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/antiox10071058

2. Рудницкая Е.А., Козлова Т.А., Бурняшева А.О., Стефанова Н.А., Колосова Н.Г. Glia Not Neurons: Uncovering Brain Dysmaturation in a Rat Model of Alzheimer’s Disease Biomedicines, 9, 7, 823. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/biomedicines9070823


Возможность практического использования результатов
не указано