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 17-74-10079
НазваниеИсследование молекулярных механизмов альтераций психоэмоционального статуса в ответ на комбинированное действие ионизирующего излучения на модели крыс
РуководительКохан Виктор Сергеевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2017 - 06.2019 |
Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-211 - Радиобиология
Ключевые словаионизирующее излучение, тяжёлые заряженный частицы, серотонин, психоэмоциональный статус, когнитивные способности
Код ГРНТИ34.49.19
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
За последние пять лет чётко наметился мировой тренд на освоение дальнего космоса. Это и участившиеся марсианские миссии (Opportunity, Curiosity, MOM), пока представленные автоматическими зондами, и претензии американской Deep Space Industries на разработку астероидов. Наравне с проблемами технического характера, пилотируемые полёты в дальнем космосе требуют новых подходов к медико-биологическому сопровождению экипажей. В отличие от отдалённых последствий (к примеру, катаракто- и канцерогенеза), немедленное нарушение операторской деятельности космонавтов может привести к гибели экипажа в ходе полёта. Выход за пределы геомагнитного поля сопровождается существенным увеличением радиационной нагрузки, прежде всего, в виде тяжелых заряженных частиц высоких энергий (HZE), что несёт существенный риск для нормального функционирования ЦНС. Опасность HZE была установлена в инициированных NASA работах, показавших что облучение ионами железа в поглощённой дозе 100 мГр может вызвать весьма серьезные последствия (Haleyet al., 2013; Lonart et al., 2012 Cherry et al., 2012; Rabin et al, 2004). Изучение механизмов, лежащий в основе нарушения операторской деятельности космонавтов как часть медико-биологического обеспечения космических полётов является кульминационным в современной нейробиологии.
Совсем недавно считалось, что наиболее уязвимы к действию ИИ дофаминергические нейроны, поражение которых, наряду с нарушением нейрогенеза в зубчатой извилине гиппокампа, является ответственным за нарушение пространственной памяти, выявляемое в поведенческих тестах. Однако до сих пор нет прямых доказательств связи между угнетением нейрогенная вследствие действия ИИ и нарушением когнитивных способностей (Greene-Schloesser et al., 2013). Более того, наши более прецезионные исследования моноаминергической системы (Kokhan et al., 2017; Штемберг и др., 2015; Штемберг и др., 2014) у животных в ответ на облучение ИИ показали, что наибольшие изменения среди моноаминов претерпевает метаболизм серотонина. Примечательно, что эти изменения фиксировались не в гиппокампе, но в префронтальной коре и гипоталамусе – структурах, вовлечённых в формирование ответа на стресс, модуляцию психоэмоционального статуса и эмоционально-мотивационного поведения. Базируясь на этих работах, возникло предположение о том, что когнитивные нарушения в ответ на действие ИИ являются результатом альтераций психоэмоционального статуса, активации системы ответа на стрессорное воздействие. В свете этого видится разумным смещение фокуса исследователя с гиппокампа и нигростриарной системы в сторону функционально связанных структур, модулирующих психоэмоциональный статус: миндалевидное тело – гипоталамус – префронтальная кора, а также гипоталамо-гипофизарная нейросекреторная система, среди которых доминирующей является серотонинергическая нейромедиаторная передача (в формировании и модуляции ответа на стресс).
Настоящий проект направлен на изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе альтераций психоэмоционального статуса животных (крыс) в ответ на комбинированное действие ионизирующего излучения (гамма-кванты и HZE). Условно проект можно разделить на 4 части. Первая часть работы предполагает наземное моделирование радиационной травмы в дозах, характерных для 860 дневной Марсианской миссии (Kokhan et al., 2016; Hassler et al., 2014) с последующим поведенческим тестированием животных (2 часть), а также нейрохимическим и молекулярным анализом избранных морфологических структур головного мозга крысы (3 часть). Завершающей частью работы предполагается проведение фармакологических испытаний избранных препаратов – модуляторов серотонинергической системы, выбор которых будет базироваться на результатах, полученных в ходе реализации части 3 настоящего проекта, с целью пробы фармкоррекции психоэмоционального статуса и когнитивных расстройств.
В ходе работы предполагается изучить альтерации тревоги, агрессии, исследовательской активности и эмоциональной реактивности животных, а также когнитивных способностей, базирующихся на функционировании как рабочей, так и пространственной памяти в батарее поведенческих тестов.
На следующем этапе будет проведён нейрохимический анализ содержания серотонина и его метаболитов методом ВЭЖХ, а также оценён уровень экспрессии биомолекул-участников его метаболизма (ферменты ана- и катаболизма, избранные рецепторы серотонина, пресинаптический серотониновый транспортер) с помощью метода RT PCR в миндалевидном теле, гипоталамусе и префронтальной коре, а также в гипофизе экспериментальных животных. Также будет исследован уровень экспрессии субстанции P и CEBPB (CCAAT/enhancer-binding protein beta) в гипоталамусе и гипофизе. По результатам анализа уровня экспрессии мРНК будет проведён анализ содержания избранных протеинов методом иммуноблоттинга. Решение данной задачи даст выход в области молекулярной и клеточной фармакологии, обогатит фундаментальные знания о мишенях и последствиях комбинированного воздействия ИИ на молекулярном уровне.
На завершающем этапе работы, основываясь на полученных данных в ходе выполнения 3 части проекта, будут отобраны мишени для фармакологической коррекции наблюдаемых альтераций психоэмоционального статуса и когнитивных способностях. А также подобраны потенциальные кандидаты в препараты фармтерапии среди широкого круга коммерчески доступных препаратов – модуляторов серотонинергической нейромедиаторной системы. Стоит отметить, что до сих пор не существовало направленной фармтерапии альтераций функций ЦНС вследствие радиационной травмы. Были высказаны лишь предположения о возможной эффективности использования антиоксидантов и ноотропов общего действия (Rabinet al., 2005; Xie et al., 2014).
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены уникальные данные касательно состояния серотонинергической нейромедиаторной системы в морфологических структурах мозга, ответственных за формирование и модуляцию психоэмоционального статуса. Также будут оценены поведенческих альтерации в ответ на радиационную травмы мозга, сопоставимую в дозах и элементарному составу таковой, что будет получена во время 860 дневной Марсианской миссии. А именно:
1) получены данные о характере изменений когнитивных способностей крыс, базирующихся на функционировании рабочей и пространственной памяти;
2) получены данные об альтерациях тревожного поведения, агрессии и эмоциональной реактивности крыс в ответ на радиационную травму;
3) получены данные относительно содержания серотонина и его метаболитов в миндалевидном теле, гипоталамусе, префронтальной коре и гипофизе;
4) проведена оценка изменений уровня экспрессии мРНК ключевых биомолеку-участников метаболизма серотонина (ферменты ана- и катаболизма, избранные рецепторы серотонина, пресинаптчисекий серотониновый транспортер) в миндалевидном теле, гипоталамусе и префронтальной коре, а также уровня экспрессии мРНК субстанции P и CEBPB в гипоталамусе и гипофизе в ответ на радиационную травму;
5) проведена оценка содержания избранных протеинов (базируясь на анализе результатов п.4) – ключевых участников метаболизма и кругооборота серотонина;
6) в ходе анализа результатов, будут впервые получены данные касательно молекулярных перестроек (в границах серотонинергической нейротрансмиттерной системы), сопровождающих альтерации психоэмоционального статуса и других нарушений поведения в ответ на радиационную травму. А также вычленены потенциальные мишени для перспективного скрининга лекарственных препаратов среди коммерчески доступных модуляторов серотонинергической нейромедиаторной системы;
7) проведены фармакологические испытания избранного (-ых) препаратов на предмет коррекции психоэмоционального статуса и поражения когнитивных способностей в ответ на радиационную травму.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Ввиду последних мировых тенденций в освоении дальнего космоса, пилотируемые межпланетные полёты являются скоро реализуемой задачей. При этом, выход за пределы геомагнитного поля Земли чреват существенным ростом радиационной нагрузки, наибольшую опасность при этом представляют галактические космические лучи – тяжёлые заряженные частицы с высокой кинетической энергией. Другие факторы космического полёта (ФКП): гипогравитация, изоляция, вибрации, изменение газовой среды, микроклимат кабины существенно модулирует эффекты ионизирующего излучения в отношении ЦНС. Нарушение операторской деятельности космонавтов под действием ФКП является основным лимитирующим фактором пилотируемых дальних космических миссий. А изучение эффектов ФКП с целью разработки превентивных мер – кульминационным в современной космической нейробиологии.
В основу настоящего проекта была положена гипотеза о том, что центральным компонентом патофизиологического процесса в ЦНС в ответ на действие ионизирующего излучения является психоэмоциональный сдвиг, а также лежащие в его основе нейрохимические и молекулярные изменения, затрагивающие, прежде всего, серотонинергическую нейротрансмиссию. Действительно, тревожные состояния существенно модулируют когнитивные способности, а эмоциональная реактивность организма вовлечена в модуляцию агрессивного поведения, особенно в конфликтных ситуациях, возможность которых невозможно исключить в замкнутом пространстве космического корабля. Другие аспекты психоэмоционального статуса, такие как депрессия (и депрессивно-подобное поведение у грызунов), апатия, нарушения системы «поощрения» представляют не меньший интерес.
В ходе реализации проекта мы получили целый ряд свидетельств, подтверждающих нашу гипотезу. Так, модельные животные – крысы линии Long Evans – демонстрировали рост базовой тревоги. Однако на этом фоне мы наблюдали атипичные эффекты ионизирующего излучения, а именно: подавление признаков депрессивно-подобного поведения, ярко выраженная габитуация (привыкание к обстановке в условиях вынужденной новизны), активация двигательной активности, и, что наиболее удивительно, высокую производительность в выполнении тестов, направленных на оценку пространственного обучения.
Эти данные не могли не найти своего отражения в ходе нейрохимического и молекулярного анализа. Так, мы обнаружили активацию серотонинергической и адренергической нейротрансмиссии в гипоталамусе – неотъемлемом компоненте активации гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной оси и ответа ЦНС на стресс. Оверэкспрессия рецептора NK1 – рецептора субстанции P – одного из нейротрансмиттеров пептидергической системы мозга, подтверждает тревожные расстройства организма. Однако на этом фоне мы наблюдали целый ряд нейроадаптивных реакций, заключающихся в подавлении экспрессии целого ряда рецепторов серотонинергической системы (подтипов 2a, 2c, 3 и 4) – медиаторов тревожных и депрессивных расстройств ЦНС. Учитывая ряд литературных данных о том, что комбинирвоанное действие ионизирующего излучения и гипогравитационного фактора приводит к нейтрализации негативных эффектов последнего, наибольший интерес представляет не повышение уровня тревожного поведения, а последующий каскад нейроадаптивных реакций, которые, по всей видимости, оказывают не только антидепрессивный эффект и сглаживают стрессогенное влияние радиации на ЦНС, но и способны приводить к репарационным процессам в нервной ткани, обращая когнитивные расстройства и локомоторные нарушения, которые возникают в ответ на гипогравитацию. Возможно, эти репарационные процессы могут действовать и на другие патофизиологические процессы в пределах ЦНС, среди которых особый интерес представляют нейродегенеративные заболевания.
В то же время, сокращение экспрессии VMAT2, являясь также нейроадаптивным процессов в ответ на усиление мноаминергической нейротрансмиссии, несёт риски цитотоксического поражения нервных клеток свободным дофамином и токсичными продуктами его окисления. Эти данные требуют дальнейшего валидирования и изучения.
Селективные антагонисты NK1 рецептора, в ходе реализации проекта, были предложены в качестве потенциальных фармпрепаратов – блокаторов тревожных состояний. особы интерес представляет влияние антагонистов NK1 рецептора на каскад нейроадаптивных реакций, сохранение которого, вероятно, важно при комбинированном действии ФКП.
Результаты выполнения проекта наши своё отражение в научно-популярной статье испанского журналиста, часть интервью доступна по следующему адресу в сети Интернет: https://www.bbvaopenmind.com/en/how-does-space-affect-the-human-body
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Настоящий проект направлен на поиск селективного препарата - потенциального блокатора функциональных альтераций ЦНС под действием ионизирующего излучения (ИИ). В ходе анализа молекулярной картины ответа нервной ткани на действие ИИ в дозах и составе, сопоставимом с таковым в ходе реализации пилотируемой 860-дневной Марсианской миссии, была сформулирована гипотеза о том, что центральным проводником стрессогенного действия ИИ является оверэкспрессия NK1 рецептора в миндалевидном теле.
Наиболее оптимальным и доступным препаратом, антагонистом NK1 рецептора, оказался Ролапитант - ((5S, 8S)-8-[[[(1R)-1-[3,5-бис(трифторметил)фенил]этил]окси]метил]-8-фенил-1,7-диазаспиро[4.5]-декан-2-он, CAS: 552292-08-7. Препаратом сравнения выступил хорошо охарактеризованный в литературе препарат бензодиазепиновой природы - Диазепам. Для тестирования препаратов были сформированы репрезентативные группы крыс линии Wistar: контрольная группа, получившая ролапитант и 2 группы облучённых (400 мГр 661.7 кэВ гамма-кванты и 0.14 Гр 450 МэВ ядра углерода 12С) животных, получивших ролапитант и диазепам, соответственно. Как ролапитант, так и диазепам показали анксиолитический эффект, у последнего он был наиболее ярко выражен. Крысы характеризовались нормальной двигательной активностью, при этом антидепрессантный эффект ИИ сохранялся. В ходе поведенческого тестирования была обнаружена нормализация динамики пространственного научения, которая была сверхпроизводительной на фоне нативного действия ИИ. Это полностью подтверждает гипотезу о том, что альтерации когнитивных способностей в ответ на действие ИИ являются производными альтераций психоэмоционального статуса животных. Примечательно, что в группе крыс, получавших Ролапитант, была выявлена повышенная эффективность контекстуальной памяти. Нейрохимическая картина под действием препаратов претерпела нормализации и соответствовала показателям в контрольной группе, мы не обнаружили активации серотонинергической иннервации в префронтальной коре, гипоталамусе и миндалевидном теле. Под действием Ролапитанта эта нормализация может быть следствием снижение экспрессии фермента синтеза серотонина - триптофангидроксилазы и повышением экспрессии фермента катаболизма - моноаминоксидазы-А. Для эффектов Диазепама снижение экспрессии триптофангидроксилазы может объяснять нормализацию метаболизма серотонина в гипоталамусе. Молекулярная картина показала нормализацию плотности NK1 рецептора, при этом цитопротекторный эффект как Ролапитанта, так и Диазепама проявился в нормализации экспрессии VMAT2. Примечательно, что повышенное содержание 5-HT2a сохранилось в префронтальной коре, указывая на стресс-независимую природу этого эффекта ИИ. Возможно, это часть молекулярного механизма, обеспечивающего антидепрессантный и прокогнитивный эффект ИИ. Вместе с тем, изменение содержания 5-HT4 и 5-HT3 рецепторов, в данном случае, мы также склонны рассматривать как компонент нейроадаптационного/нейрорепарационного ответа нервной ткани на действие ИИ.
Как итог, в ходе выполнения проекта, был предложен первый селективный препарат - корректор функциональных расстройств ЦНС в ответ на комбинированное действие ИИ, в дозе и составе, сопоставимом с таковым в ходе реализации пилотируемой 860-дневной Марсианской миссии. Была подтверждена гипотеза о том, что альтерации когнитивных способностей в ответ на действие ИИ являются производными изменений психоэмоционального статуса животных, и, прежде всего, стресс-индуцированного ответа нервной ткани. Установлено, что потенциация NK1 рецептора в миндалевидном теле является основным проводником этого ответа. Выявлен ряд биомолекул - потенциальных мишеней для коррекции депрессивных и тревожных расстройств.
Публикации
1. Анохина И.П., Анохин П.К., Кохан В.С. Комбинированное облучение гамма-квантами и ядрами углерода увеличивает содержание LIP изоформы C/EBP-β в гипофизе крыс Доклады Академии наук, том 488, № 1, с. 595–599 (год публикации - 2019)
2. Кохан В. С., Кудрин В. С., Штемберг А. С. Метаболизм серотонина и норадреналина в мозге крыс при моделировании комбинированного действия ионизирующих излучений и гипогравитации в наземном эксперименте Нейрохимия, Том: 36 № 1 С: 65-70 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S1027813319010102
3. Кохан В.С., Марьясина С., Пикалов В.А., Абаимов Д.А., Сомасундарам С.Г., Киркланд С.Е., Алиев Г. Neurokinin-1 receptor antagonist reverses functional CNS alteration caused by combined γ-rays and carbon nuclei irradiation CNS & Neurological Disorders - Drug Targets, 21(3):278-289 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.2174/1871527320666210122092330
4. Кохан В.С., Шахбазян Е.В., Маркова Н.А. Psycho-emotional status but not cognition is changed under the combined effect of ionizing radiations at doses related to deep space missions Behavioural Brain Research, Volume 362 P: 311-318 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.bbr.2019.01.024
5. - Космическое излучение влияет на психику, но не на умственные способности космонавтов Индикатор, - (год публикации - )
6. - Ученые: полет к Марсу не ухудшит интеллект, но поменяет психику космонавтов РИА Новости, - (год публикации - )
7. - How Does Space Affect the Human Body? OpenMind, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения работ, был предложен и с успехом протестирован первый селективный блокатор альтераций психоэмоционального статуса (в первую очередь тревожных расстройств), возникающих в ответ на действие ионизирующего излучения (ИИ) - Ролапитант - антагонист NK1 рецепторов. Более того, Ролапитант может оказаться первым и единственным на сегодняшний день препаратом комбинированных свойств, эффективно блокирующий тревогу (и активацию гипоталамо-гипофизарно-адренокортикального пути) и, одновременно, снимающий симптоматику космической болезни движения (за счёт ранее установленных противорвотных эффектов). Мы рекомендуем зарегистрировать лекарственный препарат Ролапитант - ((5S, 8S)-8 -[[[(1R) -1-[3,5-бис(трифторметил)фенил]этил]окси]метил]-8-фенил-1,7-диазаспиро[4.5]-декан-2-он, CAS: 552292-08-7) - на территории Российской Федерации.
Изучение молекулярных перестроек серотонинергической системы в ответ на действие ИИ вычленило ряд важных биомолекул (прежде всего 5-HT2a) - потенциальных мишеней, которые могут быть использованы для разработки новых стратегий лечения фармрезистентных форм клинической депрессии.
Результаты настоящей работы послужили базой проекта № 18-74-00118, поддержанного Российским Научным Фондом в июле 2018. В основу проекта положены данные о позитивном (вызывающем нейроадаптационные и регенераторные эффекты) влиянии комбинированного ионизирующего излучения в умеренных дозах на патологический процесс в пределах ЦНС различного генеза (стрессорное воздействие, антиортостатическое вывешивание (модель невесомости), нейродегенеративный процесс). Целью проекта является проверка возможного физиотерапевтического применения ионизирующего излучения для физиотерапии при нейродегенеративном процессе, когда неизбежная летальность последнего перевешивает возможные отдалённые негативные последствия ИИ. Продолжительность проекта - 2 года. Объект: 3 линии трансгенных мышей - моделей нейродегенератвиных заболеваний (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз). На сегодняшний день были получены первые вдохновляющие результаты этих испытаний.