Молекулярные механизмы церебрального ангиогенеза в реализации феномена нейропластичности при хронической нейродегенерации

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 22-15-00126

НазваниеМолекулярные механизмы церебрального ангиогенеза в реализации феномена нейропластичности при хронической нейродегенерации

Руководитель Салмина Алла Борисовна, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научный центр неврологии" , г Москва

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 головной мозг, нейродегенерация, гематоэнцефалический барьер, нейроваскулярная единица, церебральный ангиогенез, болезнь Альцгеймера

Код ГРНТИ76.03.53

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Пластичность головного мозга – это способность реализовать структурные и функциональные изменения в ткани головного мозга, инициируемые внешними и внутренними факторами, и способствующими адаптации в постоянно меняющихся условиях внешней среды. Основные механизмы пластичности - это нейрогенез и клеточная гибель, синаптическая передача и динамические изменения числа и активности синапсов, разнообразные межклеточные взаимодействия, секреция большого спектра нейротрансмиттеров, глиотрансмиттеров, цитокинов и факторов роста, изменения локлаььной микроциркуляции, формирование и регрессия микрососудов, изменение проницаемости гематоэнцефалического барьера в активных регионах мозга. Снижение или утрата пластичности сопровождает развитие нейродегенерации, проявляющейся неврологическими нарушениями, формированием когнитивного дефицита, изменениями поведения. В фокусе проекта – изучение механизмов церебрального ангиогенеза и регрессии микрососудов гиппокампа, субвентрикулярной зона и коры головного мозга при реализации феномена нейропластичности в норме и при нейродегенерации альцгеймеровского типа; разработка новых подходов к управлению специализацией клеток в направлении фенотипа эндотелия церебральных микрососудов за счет воспроизведения проангиогенного микроокружения, характерного для активных регионов головного мозга, и с учетом гетерогенности популяции клеток с ангиогенным потенциалом; создание новых in vitro моделей нейроваскулярной единицы и гематоэнцефалического барьера, в том числе в перперсонифицированном формате, релевантных для оценки патогенеза васкулярных нарушений и для тестирования лекарств-кандидатов при болезни Альцгеймера; научное обоснование новых подходов к восстановлению нейропластичности при болезни Альцгеймера за счет влияния на механизмы церебрального ангиогенеза и регрессии микрососудистого русла. С использованием современных протоколов in vitro, in vivo, будут решены задачи расшифровки новых механизмов повреждения клеток эндотелия церебральных микрососудов и нарушения межклеточных взаимодействий при хронической нейродегенерации, механизмов индукции гиппокампального и кортикального неоангиогенеза и регрессии микрососудов при реализации феномена нейропластичности, механизмов формирования про- и антиангиогенного окружения при пластических изменениях в ткани головного мозга, механизмов межклеточных взаимодействий, определяющих роль гетерогенных по метаболизму и функциональным характеристикам клеток с ангиогенным потенциалом в церебральном ангиогенезе в норме и при нейродегенерации альцгеймеровского типа у экспериментальных животных; разработки нового протокола получения функционально компетентных клеток церебрального эндотелия из индуцированных плюриоптентных стволовых клеток пациентов с болезнью Альцгеймера и создания оригинальных in vitro моделей нейроваскулярной единицы и гематоэнцефалического барьера с использованием нового подхода к управлению ангиогенным потенциалом клеток церебрального эндотелия с разным функциональным и метаболическим статусом. Решение этих задач обеспечит научно-технический задел в области моделирования ткани головного мозга in vitro, а также выполнении трансляционных исследований в неврологии и нейрофармакологии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Трегуб П.П., Аверчук А.С., Баранич Т.И., Рязанова М.В., Салмина А.Б. Physiological and pathological remodeling of cerebral microvessels International Journal of Molecular Sciences, vol. 23, N 20, 12683, p. 1-20 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms232012683

2. Рязанова М.В., Аверчук А.С., Новикова С.В., Салмина А.Б. Molecular mechanisms of angiogenesis: brain is in the focus Opera Medica et Physiologica, том 9, № 2, с. 54-72 (год публикации - 2022)
10.24412/2500-2295-2022-2-54-72

3. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Баранич Т.И., Ставровская А.В., Розанова Н.А., Новикова С.В., Салмина А.Б. Нейротоксическое действие бета-амилоида сопровождается изменением митохондриальной динамики и аутофагии нейронов и клеток церебрального эндотелия в экспериментальной модели болезни Альцгеймера Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, N 3, т. 175, с. 2-8 (год публикации - 2022)
10.47056/0365-9615-2023-175-3-291-297

Публикации

1. Колотьева Н.А., Гильмиярова Ф.Н., Аверчук А.С.,Баранич Т.И., Розанова Н.А., Кукла М.В.,Трегуб П.П., Салмина А.Б. Novel approaches to the establishment of local microenvironment from resorbable biomaterials in the brain in vitro models International Journal of Molecular Sciences, vol. 24(19),14709, p.1-26 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241914709

2. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Розанова Н.А., Колотьева Н.А.,Ставровская А.В., Новикова С.В., Салмина А.Б. Нейрогенез в нейрогенных нишах головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера на досимптоматической стадии развития нейродегенерации Цитология, том 65, №4, с.339-347 (год публикации - 2023)
10.31857/S004137712304003X

3. Рязанова М.В., Аверчук А.С., Ставровская А.В., Розанова Н.А., Новикова С.В., Салмина А.Б. Особенности экспрессии Arc/Arg3.1 в ткани головного мозга при обучении животных с экспериментальной болезнью Альцгеймера Анналы клинической и экспериментальной неврологии, Том 17, №3, с.49-56 (год публикации - 2023)
10.54101/ACEN.2023.3.6

4. Баранич Т.И., Скворцова К.А., Воронков Д.Н., Егорова А.В., Аверчук А.С., Рязанова М.В., Ставровская А.В., Глинкина В.В., Салмина А.Б., Сухоруков В.С. Иммуногистохимический анализ динамики митохондрий в различных зонах гиппокампа при экспериментальном моделировании болезни Альцгеймера Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, Том 176, №10, с.530-534 (год публикации - 2023)
10.47056/0365-9615-2023-176-10-530-534

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Церебральный ангиогенез/барьерогенез – неотъемлемый компонент механизмов пластичности мозга, реализуемый в пределах нейроваскулярной единицы (НВЕ) и гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), и характеризующийся значимыми изменениями при нейродегенерации, в том числе при болезни Альцгеймера (БА), однако механизмы таких нарушений, методы их регистрации и способы управления ими остаются мало изученными. С учетом результатов двух предыдущих этапов реализации проекта, на третьем этапе в фокусе исследований были: а) уточнение механизмов нарушения барьерогенеза и регуляции проницаемости ГЭБ у животных с прогрессирующей нейродегенерацией альцгеймеровского типа в части изменений состава гуморального микроокружения; б) изучение вклада активности GPR81 рецепторов лактата, метаболизма клеток церебрального эндотелия в конверсию клеток в различные субпопуляции (tip-, stalk-, phalanx-клетки), ангиогенез/барьерогенез в норме и при БА; в) оптимизация протокола «церебральной эндотелиолизации» клеток в протоколе дифференцировки иПСК для получения физиологически релевантной популяции клеток церебрального эндотелия (с высокой митохондриальной активностью и низкой парацеллюлярной проницаемостью); г) сборка персонифицированной transwell-модели ГЭБ in vitro (с использованием иПСК, полученных от пациентов с БА и от здоровых доноров) для сравнительной оценки механизмов нейрогенеза и барьерогенеза, тестирования новых подходов к управлению ими. На третьем этапе применены две экспериментальные модели БА на животных (модель с интрагиппокампальным введением бета-амилоида и трансгенная модель – линия 5xFAD), современные методы анализа метаболизма ткани головного мозга животных в динамике после обучения в протоколе опыт-индуцированной пластичности мозга (микродиализ головного мозга, спектрофотометрия, иммуноферментный анализ и ЯМР-спектроскопия тканевой жидкости), стандартный и оригинальный методы оценки проницаемости ГЭБ in vivo (микродиализ и оптоволоконная фотометрия головного мозга), протокол оценки числа перфузируемых и неперфузируемых микрососудов в аффектированных регионах головного мозга, протоколы получения, культивирования, анализа клеток первичных культур головного мозга экспериментальных животных, в том числе с оценкой состояния митохондрий, ангиогенной и гликолитической активности, экспрессионного профиля клеток (с использованием методов клеточной биологии, нейрохимии, иммунофенотипирования, спектрофотометрии, иммуноблоттинга), методы направленной дифференцировки иПСК, полученных от здоровых доноров и пациентов с БА (с мутацией в гене, кодирующем белок-предшественник амилоида), в нейроны, астроциты и клетки эндотелия – по нескольким протоколам, с фенотипированием полученных клеток и сборкой из них треклеточных transwell-моделей ГЭБ in vitro (в части экспериментов – с заменой одного из компонентов барьера на астроциты животного происхождения), методы оценки проницаемости ГЭБ in vitro (регистрация трансэндотелиального электрического сопротивления и проницаемости барьера для трейсера), в том числе при стимуляции активности нейронов в составе модели, протокол культивирования клеток в составе персонифицированных моделей ГЭБ in vitro в присутствии агонистов лактатных GPR81 рецепторов, VEGF, BDNF, методы оценки метаболического и экспрессионного профиля клеток эндотелия, полученных из иПСК (иммуноокрашивание, FLIM-микроскопия), методы статистического анализа данных. Впервые показано, что животные с экспериментальной моделью БА, в отличие от животных контрольной группы, характеризуются гипометаболизмом в гиппокампе, который проявляется значительным снижением уровня ключевых метаболитов, преимущественно глюкозы, ацетона и лактата, формиата, VEGF, BDNF, но не НАД+ к 28 суткам после обучения. К этому же периоду манифестации когнитивного дефицита у животных с моделью БА регистрируются значимые изменения числа перфузируемых и неперфузируемых микрососудов в четырех аффектированных регионах головного мозга, что соответствует полученным нами ранее данным о непродуктивном характере церебрального ангиогенеза. Наибольшей выраженности эти изменения достигают в нейрогенных нишах – SGZ и SVZ. Введение ингибитора ангиогенеза перед обучением и консолидацией памяти у животных вызывает дополнительное снижение числа перфузируемых сосудов. Коль скоро ранее мы показали, что введение ингибитора ангиогенеза приводит к усугублению когнитивной дисфункции при БА, очевидно, что стратегия по подавлению ангиогенеза при БА может быть неэффективной. Оценка состояния ГЭБ с использованием микродиализа с флуоресцеином натрия и разработанный и впервые протестированный нами новый способ оценки состояния ГЭБ с использованием оптоволоконной фотометрии головного мозга подтвердил повреждение ГЭБ и нарушение механизмов клиренса ткани головного мозга у животных с экспериментальной моделью БА. Эксперименты in vitro, выполненные с использованием клеток первичных культур, показали, что агонист GPR81 рецепторов (лактат) в физиологическом диапазоне концентраций частично «отменяет» нарушения в субпопуляционном составе клеток эндотелия (tip-, stalk-, phalanx-клетки), вызванным бета-амилоидом, что отражает нормализацию механизма латерального ингибирования и ассоциировано с индукцией аутофагии и торможением слияния митохондрий, стимуляцией гликолиза и митохондриального биогенеза. В статической модели ГЭБ, полученной из клеток, дифференцированных из иПСК здоровых доноров или пациентов с БА, мы зарегистрировали подавление барьерогенеза, сочетающееся с нарушением синаптической пластичности нейронов. В клетках эндотелия, полученных из иПСК пациентов с БА, доминирует гликолиз, но не окислительное фосфорилирование, которое преобладает в эндотелии, полученном из иПСК здоровых доноров. Совместное применение лиганда GPR81, BDNF и VEGF обеспечивает эффективное «переключение» метаболизма с гликолиза на митохондриальное дыхание, что соответствует метаболизму функционально компетентного эндотелия церебральных микрососудов. В целом, на третьем этапе получены новые фундаментальные данные о характере и механизмах церебрального ангиогенеза и барьерогенеза при хронической нейродегенерации, изменении состава микроокружения в нейрогенных нишах, способствующем аберрантному ангиогенезу, нарушении метаболизма и структурно-функциональной целостности эндотелия в составе персонифицированных моделей ГЭБ при БА, экспериментально подтверждены возможности новых подходов к регистрации проницаемости ГЭБ и клиренса ткани головного мозга in vivo, к оптимизации протоколов получения клеток церебрального эндотелия из иПСК in vitro. На третьем этапе работы опубликованы 4 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science/Scopus, получены 2 свидетельства о регистрации РИД. Результаты представлены (устные доклады) на 8 конференциях (международных и всероссийских).

Публикации

1. Аверчук А.С., Кукла М.В., Розанова Н.А., Ставровская А.В., Салмина А.Б. Сравнительный анализ нейрогенеза и церебрального ангиогенеза в нейрогенной нише гиппокампа у животных с двумя моделями экспериментальной болезни Альцгеймера Анналы клинической и экспериментальной неврологии (год публикации - 2025)

2. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Ставровская А.В., Новикова С.В., Салмина А.Б. Оценка ангиогенеза и ремоделирования микрососудов в субвентрикулярной зоне головного мозга мышей при экспериментальной болезни Альцгеймера Казанский медицинский журнал, № 2, том 105, с. 231-239 (год публикации - 2024)
10.17816/KMJ501749

3. Кукла М.В., Аверчук А.С., Ставровская А.В., Розанова Н.А., Бердников А.К., Колотьева Н.А., Салмина А.Б. Изменение экспрессии VEGFR1 и VEGFR2 и зрелости клеток эндотелия у экспериментальных животных с моделью болезни Альцгеймера Бюллетень сибирской медицины (год публикации - 2024)

4. Баранич Т.И., Аверчук А.С., Кукла М.В., Розанова Н.А., Ставровская А.В., Глинкина В.В., Сухоруков В.С., Салмина А.Б. Субпопуляционные изменения клеток эндотелия сосудов коры головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, № 9, том 178, с. 365-370 (год публикации - 2024)
10.47056/0365-9615-2024-178-9-365-370

Возможность практического использования результатов
Перспективы практического применения результатов проекта связаны с несколькими направлениями: а) разработка новых фармакологических подходов к терапии нейродегенерации альцгеймеровского типа, основанных на адресной коррекции механизмов аберрантного ангиогенеза, в том числе, вероятно, с использованием GPR81 рецепторов лактата как возможной мишени; б) развитие методов регистрации проницаемости ГЭБ и клиренса ткани головного мозга in vivo на основе предложенного в проекте нового методического подхода; в) применение предложенного в проекте протокола улучшения параметров метаболизма клеток эндотелия, дифференцируемого из иПСК, для получения физиологически релевантных персонифицированных моделей ГЭБ in vitro, пригодных для тестирования индивидуальных особенностей барьерогенеза и проницаемости барьера для лекарств; г) улучшение результатов диагностики и терапии хронической нейродегенерации при болезни Альцгеймера за счет учета вклада непродуктивного ангиогенеза и нарушений ремоделирования микрососудов в аберрантную пластичность головного мозга.