Модуляция активности Ca2⁺-АТФазы эндоплазматического ретикулума как новый терапевтический подход к лечению болезни Альцгеймера

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 проекта 22-15-00049

НазваниеМодуляция активности Ca2⁺-АТФазы эндоплазматического ретикулума как новый терапевтический подход к лечению болезни Альцгеймера

Руководитель Безпрозванный Илья Борисович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова болезнь Альцгеймера, нейродегенерация, кальциевая сигнализация, кальциевая АТФаза, SERCA, терапевтические агенты, кальциевый имаджинг, миниатюрная флуоресцентная микроскопия, Miniscope, нейронные ансамбли, гиппокамп

Код ГРНТИ34.17.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Болезнь Альцгеймера (БА) – это самое распространённое неизлечимое нейродегенеративное заболевание, которое затрагивает процессы формирования и хранения памяти и приводит к прогрессирующему снижению когнитивных способностей. БА преимущественно развивается в преклонном возрасте, и в связи со значительным увеличением продолжительности жизни год от года поражает все больше людей. Несмотря на усилия исследователей по всему миру, в настоящее время не достигнуто полного понимания причин возникновения и механизмов развития БА, а также нет доступной эффективной терапии. Изучение патогенеза болезни Альцгеймера на всех уровнях организации мозга и разработка на основе полученных данных эффективной терапии, способной затормозить или остановить ее развитие, является важной проблемой современной нейробиологии, на решение которой направлен данный Проект. Кальций – это важнейший вторичный посредник в нейронах, без которого невозможна передача сигнала между ними и функционирование синапсов, что делает нейроны особо чувствительными к изменению его концентрации. Повышение уровней свободного внутриклеточного кальция в нейронах – один из основных патологических признаков болезни Альцгеймера, и предполагаемая причина потери синапсов и гибели нейронов при ее развитии. Фармакологическая нормализация кальциевой сигнализации в нейронах является перспективным подходом для разработки терапевтических средств для лечения БА. В данном Проекте с помощью современных методов нейробиологии будет протестирована новая терапевтическая мишень для лечения БА – Ca2+-АТФаза SERCА. SERCA располагается на мембране эндоплазматического ретикулума нейронов, и активно транспортирует ионы кальция из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум против градиента концентрации. Для исследования будут использованы соединения из нового класса веществ – положительные аллостерические модуляторы (ПАМ) SERCA, и будет оценена возможность их применения в качестве терапевтических агентов для лечения БА. Данные соединения не влияют на базальную активность Ca2+-АТФазы SERCA, но способны при значительных повышениях концентрации кальция усиливать его экстракцию из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум. Подобный эффект позволит избежать нежелательного воздействия на кальций чувствительные процессы в норме, тем самым минимизировать возможные побочные эффекты, но предотвратить повышения цитоплазматического кальция до токсичных концентраций. Соответственно, подобные соединения, позволяющие нормализовать внутриклеточную концентрацию кальция, имеют потенциал для использования в качестве нейропротекторных агентов при болезни Альцгеймера. Эффект ПАМ Ca2+-АТФазы SERCA будет оценен в экспериментах по кальциевому имаджингу и анализу морфологии синаптических дендритных шипиков в первичных гиппокампальных нейронах в условиях низкой амилоидной токсичности для выбора одного соединения-лидера с наилучшими нейропротекторными свойствами. Далее соединение-лидер будет протестировано на мышиной модели болезни Альцгеймера 5хFAD, а именно, будет оценено его влияние на долговременную потенциацию, функционирование нейронных сетей гиппокампа с помощью методики Miniscope и пространственную и ассоциативную память в поведенческих тестах. Полученные результаты помогут определить, можно ли использовать Ca2+-АТФазу SERCA в качестве мишени и ее позитивные аллостерические модуляторы для разработки терапевтических соединений для лечения БА и других нейродегенеративных расстройств. Развитие методов нейробиологии позволяет исследовать патогенез БА на новом уровне. В данном проекте с помощью новейшей технологии Miniscope, позволяющей визуализировать активность группы нейронов в гиппокампе свободно передвигающейся лабораторной мыши, будут проанализированы механизмы функционирования нейронных сетей, вовлеченных в формирование памяти, их ответ на поведенческие стимулы и исследованы изменения, происходящие в их функционировании при развитии болезни Альцгеймера. Полученные данные станут основной для более полного и всестороннего понимания патологических изменений при болезни Альцгеймера и временного масштаба их развития на уровне группы нейронов. Согласно литературным данным, ранее Miniscope не применялся для анализа эффективности фармакологических агентов для лечения нейродегенеративных заболеваний. Применение данного метода в Проекте позволит более глубоко и всесторонне оценить эффект ПАМ Ca2+-АТФазы SERCA, и продемонстрирует возможность и потенциально высокую информативность подобного анализа для принятия решения в пилотных и доклинических испытаниях о целесообразности дальнейшей разработки лекарственных средств на основе тестируемых веществ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Безпрозванный Илья Alzheimer's disease – Where do we go from here? Biochem Biophys Res Commun, Biochem Biophys Res Commun. 2022 Dec 10;633:72-76. (год публикации - 2022)
10.1016/j.bbrc.2022.08.075

Публикации

1. Д. Чернюк, М. Калленс, М. Полозова, А. Гордеев, М. Чигриай, А. Раковская, А. Ильина, Е. Пчицкая, К. Ван ден От, Т. Вервлит, Г. Бултынк, И. Безпрозванный Neuroprotective properties of anti-apoptotic BCL-2 proteins in 5xFAD mouse model of Alzheimer’s disease IBRO Neuroscience Reports, IBRO Neuroscience Reports 14 (2023) 273–283 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ibneur.2023.02.005

2. Хуа Чжан и Илья Безпрозванный “Dirty Dancing” of Calcium and Autophagy in Alzheimer’s Disease Life, 2023, 13, 1187 (год публикации - 2023)
10.3390/life13051187

3. Рассел Дал, Аманда С. Мур, Кейтлинн Найт, Коллин Могер, Хуа Чжан, Гэри Э. Шильц, Венди А. Косс и Илья Безпрозванный Positive Allosteric Modulator of SERCA Pump NDC-1173 Exerts Beneﬁcial Effects in Mouse Model of Alzheimer’s Disease Int. J. Mol. Sci., 2023, 24, 11057 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241311057

4. Анастасия Раковская, Александр Ерофеев, Егор Винокуров, Екатерина Пчицкая, Рассел Даль и Илья Безпрозванный Positive Allosteric Modulators of SERCA Pump Restore Dendritic Spines and Rescue Long-Term Potentiation Defects in Alzheimer’s Disease Mouse Model Int. J. Mol. Sci., 2023, 24(18), 13973 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241813973

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За третий год выполнения проекта была проведена комплексная оценка влияния положительных аллостерических модуляторов (ПАМ) SERCA помпы на функциональное состояние нейронов, а также на когнитивные функции мышей с генетической моделью болезни Альцгеймера 5xFAD. Был проведен скрининг 6 соединений, являющихся потенциальными ПАМ саркоплазматической/эндоплазматическая ретикулумной Ca2+-АТФазы in vitro. Эффективность соединений оценивалась по способности веществ ускорить экскрецию Ca2+ из цитозоля клеток линии HEK293. Нейропротекторный эффект определялся в условиях низкой амилоидной токсичности in vitro. Соединение NDC-9009 имело лучшие характеристики модуляции активности SERCA помпы, которая выражалась в лучшей скорости переноса ионов кальция из цитозоля в эндоплазматический ретикулум клеток HEK293T. Более того, в условиях низкой амилоидной токсичности NDC-9009 защищало дендритные шипики от дегенерации. В связи с этим, дальнейшие in vivo эксперименты проводились с данным ПАМом. Для изучения модуляции активности SERCA помпы как терапевтического подхода для лечения болезни Альцгеймера, были проведены эксперименты по in vivo регистрации активности нейронов гиппокампа у мышей линии 5xFAD возраста 6,5 месяцев. Активность нейронов гиппокампа свободно передвигающихся мышей регистрировалась методом миниатюрной флуоресцентной микроскопии в круглой арене в течении 4-ёх последовательных дней. Были зафиксированы достоверные патологические изменения в функционировании клеточных ансамблей гиппокампа трансгенных мышей линии 5xFAD при сравнении с мышами-однопометниками дикого типа. Так, наблюдалось увеличение активности нейронов гиппокампа с преобладанием гиперактивных нейронов у контрольных трансгенных мышей линии 5xFAD. Гиппокампальные нейронные цепочки у трансгенных мышей также обладают нарушенным профильным активности и связности нейронов между собой. Однако, систематическое введение 10 мг/кг соединения NDC-9009 экспериментальной группе трансгенных мышей линии 5xFAD приводило к восстановлению нарушенных параметров к значениям мышей дикого типа, снижая гиперактивность, восстанавливая профиль активации и связность нейронов к нормальным значениям. Более того, трансгенные мыши линии 5xFAD контрольной группы обладали нарушенными увеличенными уровнями кальция в нейронах. Введение ПАМ SERCA позволило восстановить это значение до уровня мышей дикого типа, значительно снизив этот показатель. Когнитивные функции оценивались в тесте на условно-рефлекторное замирание. Как хорошо известно, болезнь Альцгеймера негативно влияет на формирование долговременной памяти. Трансгенные мыши линии 5xFAD контрольной группы возраста 6,5 месяцев действительно обладали достоверно сниженными показателями параметра замирания в тесте на условно рефлекторное замирание, который коррелирует с формированием памяти у мышей. В то же время, в экспериментальной группе трансгенных мышей, которым проводилось ежедневное введение NDC-9009, этот показатель восстанавливался до уровня мышей дикого типа, что свидетельствует о положительном влиянии ПАМа на когнитивные функции трансгенных мышей линии 5xFAD. Параллельный кальциевой имаджинг гиппокампальных нейронов дал возможность оценить патологические изменения в нейронных ансамблях, которые приводят к нарушенному формированию памяти. Так, у контрольных трансгенных мышей линии 5xFAD наблюдалось достоверное снижение силы межнейронных связей наряду с увеличением числа пар кореливанных нейронов, что приводило к значительному влиянию на функционирование нейронных ансамблей и, впоследствии, имело негативный эффект на когнитивные показатели мышей. Систематическое хроническое введение NDC-9009 также достоверно снизило количество амилоидных бляшек в области гиппокампа трансгенных мышей линии 5xFAD. Все описанные выше результаты свидетельствуют о положительном влиянии модуляции активности SERCA-помпы как многообещающего подхода для восстановления нейрональных и когнитивных функций при болезни Альцгеймера, по крайней мере, на мышах с генетической моделью болезни Альцгеймера 5xFAD.

Публикации

1. Евгений Герасимов, Екатерина Пчицкая, Ольга Власова, Илья Безпрозванный Dynamic changes in the hippocampal neuronal circuits activity following acute stress revealed by miniature fluorescence microscopy imaging Molecular Brain (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Наиболее распространенным нейродегенеративным заболеванием является болезнь Альцгеймера. Это заболевание влияет на нормальное функционирование нейронов, изменяет активность нейронных цепей и формирование памяти. Нарушение нейронального Ca2⁺ было признано критическим фактором в развитии болезни Альцгеймера. В ходе данного проекта было детально изучено влияние модуляции кальциевой АТФазы сарко-эндоплазматического ретикулума посредством положительных аллостерических модуляторов на функционирование нейронов и когнитивные функции мышей с генетической моделью болезни Альцгеймера линии 5xFAD. Полученное соединение-лидер - NDC-9009 ускоряло экскрецию кальция из цитоплазмы и имело нейропротекторный эффект в условиях низкой амилоидной токсичности. На in vivo уровне NDC-9009 позволило восстановить нормальное функционирование нейронных цепей гиппокампа, снижало уровни цитоплазматического кальция, связанные с активацией нейронов и достоверно улучшало когнитивные функции у мышей с генетической моделью болезни Альцгеймера. Данное исследование позволяет предложить потенциально новый терапевтический подход в качестве терапии болезни Альцгеймера.