Ученые Нейрокампуса, созданного на базе РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, изучают повреждения клеток мозга в результате окисления – так называемое редокс-состояние или окислительный стресс. Новый метод управления этим состоянием позволит моделировать старение мозга и его наиболее важные патологии – болезни Альцгеймера и Паркинсона, сообщили порталу Наука.рф в университете.
Исследования должны установить, приводит ли окислительный стресс к нейродегенеративным заболеваниям и деменции при старении мозга, когда они не имеют генетической причины. Работа ведется совместно с экспертами Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН), Федерального центра мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства (ФЦМН ФМБА России), Московского государственного института им. М.В. Ломоносова, Российского квантового центра и при поддержке Российского научного фонда.
Что такое окислительный стресс
Активность нервных клеток — достаточно энергозатратный процесс. Это связано с тем, что они имеют большую площадь поверхности клеточных мембран по сравнению с другими клетками организма.
Энергия нейронов уходит на несколько процессов: поддержание потенциала покоя на всей поверхности клеточных мембран; восстановление ионных градиентов после деполяризации и генерации потенциалов действия, а также концентрации внутриклеточного кальция; биосинтез нейромедиаторов — биологически активных химических веществ, посредством которых передаются электрохимические импульсы между клетками; транспорт везикул — крошечных специфических структур, в которых транспортируются питательные вещества.
«Нейроны добывают ее в основном за счет окислительного фосфорилирования, происходящего в митохондриях. Энергетический метаболизм нейронов находится на довольно высоком уровне. Это подтверждает тот факт, что у человека мозг занимает всего два процента от массы тела, но поглощает почти двадцать процентов всего вдыхаемого кислорода», — рассказал кандидат биологических наук, старший научный сотрудник группы термогенетики Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины РНИМУ им. Н.И. Пирогова, старший научный сотрудник отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН Олег Подгорный.
Все это сопровождается неизбежным образованием активных форм кислорода. Одна из них — супероксид аниона. Данная реактивная молекула мало живет, но может окислять биомолекулы, что приводит к нежелательному изменению их химической структуры, утрате их функциональных свойств. Это становится причиной нарушения физиологических процессов в клетке и даже ее гибели.
То есть окислительный стресс по сути — повреждение клеток окислителями. Часто его рассматривают в качестве причин возникновения нейродегенеративных заболеваний, а также деменции при старении мозга. Однако на сегодняшний день прямых доказательств того, что именно он — первопричина всего, нет. Это связано с тем, что ранее отсутствовали методы создания изолированного окислительного стресса.
Чтобы смоделировать нейродегенеративное заболевание сегодня, применяют один из способов: либо отравляют нейроны токсинами, либо используют мутантных и трансгенных животных, у которых уже нарушены метаболизм и сигналинги, не связанные с редокс-системой клетки.
Однако эти подходы не могут достоверно воспроизвести события, происходящие в мозге при таких нейродегенеративных заболеваниях, как болезни Альцгеймера, Паркинсона или деменция при старении мозга.
Чем отличается новый метод
Ученые предложили использовать хемогенетический подход, чтобы изменять редокс-состояние клеток мозга и создавать изолированный окислительный стресс.
В основе данного инструмента — применение оксидазы D-аминокислот. Побочным продуктом реакции является пероксид водорода. Эта молекула также относится к активным формам кислорода – она самая долгоживущая.
С помощью специальных безопасных вирусов экспериментаторы доставляют ген оксидазы D-аминокислот в нейроны и, добавляя к ним D-аминокислоту, симулируют окислительный стресс внутри них.
В ходе исследования ученые отметили, что в условиях окислительного стресса у нейронов стирается память намного быстрее, чем у нормальных нервных клеток.
«То, что мы увидели в наших экспериментах, было похоже на ситуацию, которая происходит в стареющем мозге: когда еще нет очевидных признаков нейродегенерации, но уже появляются какие-то нарушения памяти и умственных способностей», — уточнил Подгорный.
Новый метод поможет в создании платформы для скрининга антиоксидантов, которые были бы полезны и эффективны против окислительного стресса в мозге. В настоящее время эксперименты находятся в активной стадии. Завершить исследования ученые планируют через несколько лет.
