Российские ученые совместно с зарубежными коллегами создали новые технологии, позволяющие изучать метаболизм нервных клеток в реальном времени прямо в мозге животных. Они опробовали свои разработки на модели ишемического инсульта у крыс: флуоресцентные биосенсоры, гены которых были доставлены в клетки мозга с помощью вирусов, чутко реагировали на изменение рН и содержание активных форм кислорода внутри нейронов. Новый метод позволит получать данные о работе клеток мозга в норме и патологии в естественном для них окружении. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Redox Biology.

Ишемический инсульт — одна из главных причин смерти и инвалидности в современном мире. Заболевание возникает при закупорке сосудов головного мозга, причиной которой могут быть патологии сосудов, изменения свойств и состава крови, отрыв тромбов, травмы. В результате участок мозга не получает достаточно кислорода, развивается ишемия и, если быстро не принять меры, клетки погибают.

«Несмотря на внушительный объем экспериментальных данных, полученных за последние десятилетия, биологам и медикам по-прежнему не хватает информации о молекулярных механизмах патогенеза инсульта для создания эффективной терапии. Например, принято считать, что окислительный стресс в клетках, то есть усиленная продукция активных форм кислорода (АФК), является главным повреждающим фактором в острой фазе инсульта, но ученые регулярно предлагают все новые механизмы повреждения клеток. При том, и, на наш взгляд, это ключевой момент, до недавнего времени не было возможности напрямую показать саму динамику окислительного стресса именно в тканях мозга экспериментального животного, у которого развивается ишемический инсульт. Это касается не только АФК, но и других биохимических параметров. Разработанные нами технологии позволяют следить за внутриклеточными изменениями в мозге лабораторных животных, начиная с первых секунд патогенеза», — рассказывает Дмитрий Билан, кандидат биологических наук, руководитель группы метаболических основ патологии ИБХ РАН.

Сотрудники Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (Москва), Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА России (Москва), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) совместно с коллегами из других российских и зарубежных институтов разработали технологию, позволяющую отслеживать динамику биохимических процессов непосредственно в организме. При помощи вирусов ученые встроили в клетки мозга крыс гены биосенсоров, которые создали ранее. Они по своей природе являются белковыми молекулами, обладающими флуоресцентными свойствами, которые реагируют на изменения кислотности среды (рН) и колебания концентрации пероксида водорода — одной из основных АФК в клетках.

Авторы искусственно вызывали у животных инсульт путем перекрытия артерии в мозге и наблюдали изменение свечения биосенсоров в нейронах при помощи оптических волокон, предварительно имплантированных в мозг. Оказалось, что уже в первые секунды развития ишемии внутриклеточный pH нейронов, находящихся в эпицентре инсульта, резко снижается. Значительный рост концентрации пероксида водорода был зарегистрирован лишь на следующий день после операции. Этот результат оказался неожиданным для исследователей, поскольку до этого считалось, что значительная генерация АФК происходит в острой стадии инсульта.

«Наша работа объединила усилия ученых из разных дисциплин. Для исследования динамики патологических процессов при развитии инсульта были использованы подходы молекулярной биологии и биохимии, экспериментальной хирургии, разработаны новые технические решения для регистрации процессов в тканях живого мозга. В дальнейшем методологическая база, которую мы разработали, может быть использована для любых других исследований метаболизма мозга в норме и при патологических нарушениях», — подводит итог Дмитрий Билан.

Рисунок 1. Нейрон под микроскопом. Источник: Илья Кельмансон