КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-65-47029

НазваниеЭкспериментальное междисциплинарное исследование патофизиологических и молекулярно-генетических механизмов развития когнитивных и депрессивных расстройств после фокальной ишемии мозга: роль дистантного повреждения гиппокампа

РуководительГуляева Наталия Валерьевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук, г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

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

Ключевые словагиппокамп, фокальное повреждение мозга, инсульт, моделирование, стресс, глюкокортикоиды, нейровоспаление, когнитивные нарушения, депрессивные расстройства, дифференциальная экспрессия генов, РНК-секвенирование

Код ГРНТИ76.03.53


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Когнитивные нарушения и психиатрические расстройства, сопровождающие ишемические повреждения мозга, представляют значимую медицинскую и социальную проблему. Как минимум половина пациентов, перенесших инсульт, демонстрирует симптомы депрессии. Острые нарушения мозгового кровообращения также могут приводить к ослаблению когнитивных функций и деменции: после болезни Альцгеймера они являются второй по частоте причиной когнитивных расстройств. На основании данных экспериментальных, в том числе и собственных, исследований, а также клинических наблюдений, нами была сформулирована гипотеза, связывающая постинсультные нарушения когнитивной и эмоциональной сферы, часто коморбидные, в первую очередь, с дистантным кортикоид-зависимым повреждением гиппокампа (Gulyaeva, 2018-2019; DOI 10.1007/s11064-018-2662-0, 10.1134/S0006297919110087). Эта гипотеза предполагает, что при инсульте, избыток кортикоидных гормонов, обусловленный активацией гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы (ГГАС), взаимодействует с кортикостероидными рецепторами, плотность которых особенно высока в гиппокампе, вызывая активацию микроглии, развитие нейровоспаления и дегенерацию нейронов этой структуры. Сформулированная нами новая концепция впервые дает методологическую основу, базирующуюся на определении степени активации ГГАС, для разработки способов оценки риска постинсультных нарушений когнитивной и эмоциональной сферы, а также способов предотвращения этих нарушений. В клинике инсульта основные усилия направлены на лечение непосредственного повреждения мозга (в т.ч. ограничение зоны инфаркта) и ограничение/предотвращение развития неврологического дефицита. При этом остаются без внимания вопросы дистантного повреждения гиппокампа, а именно оно может лежать в основе отдаленных нарушений когнитивной и эмоциональной сферы. В данном проекте на моделях инсульта у грызунов предполагается исследовать на молекулярном, клеточном и геномном уровне роль избытка глюкокортикоидов в развитии дистантного повреждения гиппокампа (в первую очередь процессов нейровоспаления) и отсроченных нарушений поведения, включая развитие когнитивных и депрессивноподобных нарушений. В дизайне эксперимента будет использовано три различных экспериментальных варианта проверки концепции. В первом варианте будет проведено сравнение двух моделей фокальной ишемии мозга (окклюзии среднемозговой артерии, MCAO), сходных по развитию неврологического дефицита и первичному повреждению, но различающихся по выраженности сопутствующих гиперкортикостеронемии, повышению связывания кортикостерона и активации нейровоспаления в гиппокампе. Во втором варианте будет проведено исследование развития повреждения гиппокампа при реализации модели фокальной ишемии с меньшей выраженностью описанных выше ответов на фоне применения хронической гиперкортикостеронемии, а в третьем варианте – на модели с более выраженной активацией глюкокортикоидной сигнализации на фоне хронического снижения активности кортикостерона антагонистами его рецепторов. Полногеномный анализ экспрессии и идентификация дифференциально экспрессирующихся и альтернативно сплайсирующихся генов будет проводиться в гиппокампе животных в ранние и отдаленные сроки после обоих моделирующих фокальное ишемическое повреждение мозга воздействий в условиях всех трех экспериментальных ситуаций. Такое исследование будет также проведено в гиппокампе нормальных животных после экспериментальной активации нейровоспаления разной выраженности, как отдельно, так и совместно с изменением (повышением или снижением) глюкокортикоидной активности. Эти исследования позволят установить роль ассоциированных с ишемическими повреждениями повышенных уровней глюкокортикоидов и маркеров нейровоспаления в изменении экспрессии генов, а также острых клеточных и отсроченных поведенческих и нейроэндокринных эффектах, включающих и индивидуальные различия по стресс-реактивности. Использование баз данных генной онтологии при анализе этих результатов позволит оценить связь изменений экспрессии анализируемых генов с определенными типами клеток и клеточными компонентами, а также осуществляемыми молекулярными функциями и биологическими процессами. Такая подробная экспериментальная проработка важна из-за высокой трансляционной значимости основной идеи, обусловливающей необходимость тщательного междисциплинарного доклинического доказательного исследования. Трансляционное значение концепции состоит в том, что она дает основу для оценки риска развития когнитивных нарушений и депрессивной симптоматики у больного индивидуально на основании информации о функционировании его ГГАС. С учетом того, что препараты, влияющие на уровень кортизола (основной глюкокортикоид у человека), а также на соответствующие рецепторы, широко используются в клинической практике, на следующем этапе возможна разработка подходов к предупреждению развития когнитивных и депрессивных расстройств у пациентов с инсультом, находящихся в зоне риска. Таким образом, планируемое использование для решения задач проекта классических клеточных, нейроэндокринных, фармакологических и поведенческих методов (нейробиологическая/фундаментально-медицинская часть проекта, коллектив из ИВНД и НФ РАН) в сочетании с современными молекулярно-генетическими подходами (молекулярно-биологическая часть проекта, коллектив из ИЦиГ СО РАН) способно дать новые сведения, значительно расширяющие имеющееся знание о патофизиологических и молекулярно-генетических механизмах развития когнитивных и депрессивных расстройств после фокальной ишемии мозга, а также проясняющие механизмы и роль дистантного повреждения гиппокампа в отсроченных когнитивных и психоэмоциональных эффектах. В целом результаты междисциплинарного исследования позволят определить перспективные новые молекулярные мишени купирования постинсультных психоповеденческих нарушений и станут основой для разработки новых терапевтических стратегий. Научные группы имеют опыт эффективного научного сотрудничества и общие публикации в международных и отечественных журналах. Ими был успешно выполнен совместный междисциплинарный трансляционный проект РФФИ КОМФИ 13-04-40013-К (Молекулярно-клеточные механизмы депрессивных расстройств, индуцированных ранним стрессом, и новые молекулярные мишени для их коррекции (трансляционное исследование), 2013-2016).

Ожидаемые результаты
Междисциплинарный проект направлен на проверку оригинальной гипотезы, что постинсультные нарушения когнитивной и эмоциональной сферы, часто коморбидные, обусловлены дистантным кортикоид-зависимым повреждением гиппокампа. Для этого на моделях инсульта у грызунов предполагается исследовать на физиологическом, молекулярном, клеточном и геномном уровне роль избытка глюкокортикоидов в развитии дистантного повреждения гиппокампа (в первую очередь процессов нейровоспаления) и отсроченных нарушений поведения, включая развитие когнитивных и депрессивноподобных нарушений. Московская группа В проекте предполагается реализовать трансляционное комплексное исследование, результатом которого будет выяснение механизмов кортикостероид-зависимого дистантного повреждения гиппокампа и разработка подходов к технологии его предупреждения, которая позволит в существенной степени предотвратить развитие постинсультных когнитивных и депрессивных расстройств. Предполагается на моделях инсульта у грызунов исследовать на биохимическом и клеточном уровне роль избытка глюкокортикоидов в развитии дистантного повреждения гиппокампа (в первую очередь процессов нейровоспаления) и отсроченных нарушений поведения, включая развитие когнитивных и депрессивноподобных нарушений. Одновременно будет проведена оценка индивидуальной стресс-реактивности животных после экспериментального инсульта по реакции кортикостерона на поведенческий стресс. При выполнении проекта ожидается получение следующих результатов: (1) Нейроэндокринные и клеточные механизмы дистантного повреждения гиппокампа при экспериментальном фокальном повреждении мозга (на модели окклюзии среднемозговой артерии у крыс): экспериментальное подтверждение участия гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси и кортикоид-зависимых механизмов сигнальной трансдукции, а также нейровоспаления. (2) Экспериментальное подтверждение участия указанных выше механизмов в развитии постинсультных нарушений поведения (когнитивные функции, депрессивноподобное поведение). (3) Экспериментальное подтверждение усиления повреждения гиппокампа на структурно-функциональном уровне и поведенческих нарушений при гипекортикостеронемии и предупреждение их при предотвращении повышения связывания кортикостерона. (4) Подтверждение и детализация концепции об участии кортикоид-зависимых механизмов в дистантных повреждениях гиппокампа, лежащих в основе постинсультных когнитивных нарушений и депрессивно-тревожных расстройств, развивающихся в отдаленном периоде. (5) Предложение технологии оценки степени риска и предупреждения вышеуказанных отдаленных последствий фокального повреждения мозга для внедрения в клинику на основании сформулированной концепции. Новосибирская группа В рамках общей проблемы междисциплинарного проекта, конкретными задачами проекта новосибирской группы являются: (1) полногеномный анализ экспрессии и идентификация дифференциально экспрессирующихся генов, верификация результатов методом РТ-ПЦР в реальном времени, а также выявление альтернативно сплайсирующихся транскриптов в гиппокампе животных в ранние и отдаленные сроки после двух моделирующих фокальное ишемическое повреждение мозга воздействий, сопровождающихся в одной модели - высокой, а в другой - умеренной активацией ГГАС, генерирующей глюкокортикоидный сигнал, а также после понижения интенсивности этого сигнала в первой и, наоборот, его повышения во второй модели; (2) определение относительного вклада ассоциированных с ишемическими повреждениями повышенных уровней глюкокортикоидов и маркеров нейровоспаления в изменении экспрессии генов. В результате решения этих задач будут получены новые оригинальные данные, проясняющие возможность и механизмы длительно сохраняющихся изменений в экспрессии генов в гиппокампе после фокального повреждения мозга. Использование баз данных генной онтологии при анализе этих результатов позволит оценить связь изменений экспрессии анализируемых генов с определенными типами клеток и клеточными компонентами, а также осуществляемыми молекулярными функциями и биологическими процессами. Эти данные позволят выявить перспективные молекулярные мишени для купирования постинсультных психоповеденческих нарушений. Общие Выполнение задач проекта в полном объеме и реализация его трансляционного потенциала возможны только при междисциплинарном подходе, который положен в основу данного исследования. Планируемое использование для решения задач проекта классических клеточных, нейроэндокринных, фармакологических и поведенческих методов (фундаментально-медицинская часть проекта, коллектив из ИВНД и НФ РАН) в сочетании с современными молекулярно-генетическими подходами (молекулярно-биологическая часть проекта, коллектив из ИЦиГ СО РАН) способно дать новые сведения, значительно расширяющие имеющееся знание о патофизиологических и молекулярно-генетических механизмах развития когнитивных и депрессивных расстройств после фокальной ишемии мозга, а также проясняющие механизмы и роль дистантного повреждения гиппокампа в отсроченных когнитивных и психоэмоциональных нарушениях. Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню с точки зрения применяемых подходов и методов исследования в эксперименте и клинике, но превышают мировой уровень с точки зрения теоретической разработки проблемы, поскольку концепция об общих механизмах кортикоид-зависимого повреждения гиппокампа после фокального повреждения мозга сформулирована в общем виде и детализирована нами впервые (Gulyaeva, 2018-2019). По дизайну исследования проект превышает мировой уровень, поскольку предполагает в одном проекте несколько линий подтверждения заложенной в его основу концепции. В целом результаты междисциплинарного исследования будут полезны для разработки новых терапевтических стратегий. На базе полученных данных станет возможной разработка технологии предупреждения отдаленных последствий фокального повреждения мозга, а также дополнительной технологии оценки степени риска развития посттравматической и постинсультной депрессии и когнитивных нарушений у конкретного пациента на ранней стадии заболевания, что внесет важный экономический и социальный вклад в обеспечение здоровьесбережения и переход к персонализированной медицине.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Когнитивные и депрессивные расстройства, зачастую коморбидные, могут быть отдаленными последствиями ишемического инсульта. На основании собственных экспериментальных исследований, а также клинических наблюдений нами была сформулирована гипотеза, связывающая постинсультные нарушения когнитивной и эмоциональной сферы с дистантным кортикоид-зависимым повреждением гиппокампа, предполагающая, что избыток глюкокортикоидов при вызванной инсультом активации гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы запускает трансдукцию сигнала через кортикоидные рецепторы, плотность которых особенно высока в гиппокампе, вызывая развитие нейровоспаления и нейродегенерацию. Проект направлен на подтверждение кортикоид-зависимого дистантного повреждения гиппокампа и связанных с ним отдаленных нарушений когнитивной и эмоциональной сферы при моделировании ишемического инсульта на лабораторных грызунах, а также на выявление патогенетических механизмов этих расстройств на молекулярном, клеточном и геномном уровне. Сравнительный анализ двух широко используемых в мире моделей окклюзии средней мозговой артерии (МСАО) у крыс показал, что при отсутствии различий неврологического дефицита в остром периоде после фокальной ишемии, эти модели существенно отличаются по выбросу в кровь кортикостерона, связыванию его в гиппокампе и развитию нейровоспаления. МСАО1 (Koizumi et al.1986) характеризуется более высокой смертностью, выраженной гиперкортикостеронемией, достоверно более высокими связыванием кортикостерона в гиппокампе и аккумуляцией интерлейкина 1 бета по сравнению с МСАО2 (Longa et al. 1989). Таким образом, впервые показано, что МСАО1 и МСАО2 могут быть использованы как модели ишемического инсульта в условиях различной активации гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы и гиперкортизолемии в клинике и представляют собой оптимальный инструмент для проверки гипотезы о дистантном кортикоид-зависимом повреждении гиппокампа. Подготовлен биоматериал (гиппокампы) животных после МСАО1 и МСАО2 для проведения полногеномного анализа экспрессии и идентификации дифференциально экспрессирующихся и альтернативно сплайсирующихся генов. Механизмы отсроченных негативных психоэмоциональных и когнитивных последствий острого ишемического повреждения могут включать дисрегуляцию экспрессии вовлекаемых в контроль этих функций определенных генов и регуляторов их транскрипционной активности. Для проверки возможной индукции длительных изменений экспрессии генов в гиппокампе, ключевом для регуляции психоэмоциональных и когнитивных функций отделе мозга, сопровождающим ишемию нейровоспалением, взрослым самцам крыс в стриатум, наиболее поражаемую при ишемии наряду с корой структуру, был введен бактериальный липополисахарид (LPS). Важным аргументом в пользу введения для активации нейровоспаления эндотоксина именно в стриатум послужило обнаружение в предварительных исследованиях ослабления у животных памяти через 3 месяца после введения LPS. Полногеномный транскриптомный (RNA-Seq) анализ гиппокампа, проведенный через сутки и 3 месяца после введения LPS в стриатум, выявил значительные острые и отдаленные генетические эффекты эндотоксина. Среди 613 генов, экспрессия которых изменилась через сутки после LPS по сравнению с соответствующим контролем, наибольшее количество было связано с воспалением, апоптозом, нейродегенеративными процессами. Список из 458 генов с увеличившейся экспрессией включал гены провоспалительного цитокина интерлейкин-1бета (Il1b), каспазы-1 (Casp1), матриксной металлопротеиназы-9 (Mmp9), транспортеров простагландинов (Slco2a1) и глутамата (Slc1a2). Обнаружено снижение экспрессии генов транспортеров-2 (Slc6a13) и 3 (Slc6a11) гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) - важнейшего тормозного медиатора в центральной нервной системе. Большинство этих изменений было полностью нормализовано через 3 месяца. В эти сроки, через 3 месяца после введения, среди выявленных 160 дифференциально экспрессирующихся генов значительное количество оказалось связанным с обеспечением функциональной активности нейротрансмиттерных систем. На изменения в глутаматергической и ГАМК-ергической системах указывают увеличение уровней мРНК глутаматдекарбоксилазы-2 (Gad2), везикулярного транспортера 2 глутамата (Slc17a6), субъединицы 4 глутаматного ионотропного рецептора AMPA (Gria4), субъединицы бета 2 рецептора ГАМК (Gabrb2), а также снижение экспрессии гена глутаматного метаботропного рецептора 2 (Grm2). Выявленные увеличение экспрессии гена серотонинового рецептора 2А типа (Htr2a) и снижение везикулярного моноаминового транспортера (Slc18a1) могут свидетельствовать о длительных изменениях в серотонинергической системе, а увеличение экспрессии мРНК субъединицы 4 никотинового ацетилхолинового рецептора (Chrna4) – в холинергической системе. Кроме выявления генов, изменивших экспрессию, был проведен анализ дифференциального сплайсинга. Обнаружено нарушение соотношения сплайс вариантов фактора сплайсинга Ptbp1, свидетельствующее об увеличении нейрогенеза в гиппокампе через сутки после введения LPS. Дифференциальная экспрессия ряда генов, связанных с миграцией нейронов и аксоногенезом, подтверждает активацию нейрогенеза. Полученный оригинальный результат будет способствовать пониманию механизмов парадоксального усиления гиппокампального нейрогенеза, отмечаемого вскоре после инсульта, а также сохраняющегося длительное время после патологического воздействия и коррелирующего с нарушением контекстной и пространственной памяти.

 

Публикации

1. - Уличен в двуличии газета Поиск, Газета Поиск выпуск 32-33, 2020, 08. 17.08.2020 (год публикации - ).

2. Большаков А.П., Третьякова Л.В., Квичанский А.А., Гуляева Н.В. Глюкокортикоиды в нейровоспалении гиппокампа: др. Джекилл и мр. Хайд Биохимия, т.86 № 2 (год публикации - 2021).

3. Гуляева Н.В. HIPPOCAMPAL HYPERGLUTAMATERGIC SIGNALING MATTERS: EARLY TARGETING GLUTAMATE NEUROTRANSMISSION AS A PREVENTIVE STRATEGY IN ALZHEIMER'S DISEASE Journal of Neurochemistry, - (год публикации - 2020).

4. Касаткина М. Ю., Жанин И. С., Гуляева Н. В. Биомаркеры инсульта и депрессии: cуществуют ли специфические маркеры постинсультной депрессии? Нейрохимия/Neurochemical Journal, 2020, том 37, № 4, с. 318–327;2020, Vol. 14, No. 4, pp. 353–361. (год публикации - 2020).

5. Подгорный О. В., Гуляева Н. В. Glucocorticoid-mediated mechanisms of hippocampal damage: contribution of subgranular neurogenesis Journal of Neurochemistry, - (год публикации - 2021).