КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-15-01271

НазваниеСистема скрининга нейропротекторов в модели фокальной ишемии коры головного мозга

РуководительЗахаров Андрей Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан

Года выполнения при поддержке РНФ2020 - 2021

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (18)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-101 - Экспериментальная медицина

Ключевые словакора головного мозга, ишемия, пенумбра, нейропротекция, нейрофармакология, нейрофизиология, электроэнцефалография

Код ГРНТИ34.45.05, 34.39.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Ишемия головного мозга остается одной из наиболее значимых проблем современной медицины. В настоящее время, успех в лечении этого заболевания в значительной степени ограничивается восстановлением кровотока в очаге ишемии посредством удаления тромба. Параллельно ведется исследовательская работа по разработке нейропротекторов – лекарственных веществ, которые могли бы предотвратить либо существенно уменьшить повреждение нейронов, а также разработка методов эффективной доставки этих веществ в зону ишемии. Очевидно, что важными условиями для решения этой проблемы являются ясное понимание механизмов патогенеза поражения мозга при ишемии, разработка эффективных методов диагностики и мониторинга его развития, а также экспериментальных систем для оценки эффективности нейропротекторов. В рамках Проекта 2017-2019 гг. нами была создана и апробирована система для скрининга нейропротекторов в модели ЭТ-1 – вызываемой фокальной ишемии в соматосенсорной коре головного мозга крыс с электрофизиологическим и оптическим мониторингом ишемического поражения в острой фазе инсульта. Данная модель воспроизводит патофизиологию ишемии, которая развивается у пациентов с субарахноидальными кровотечениями. Нами были охарактеризованы электрофизиологические и имаджинговые маркеры ишемического поражения коры, в том числе медленные волны аноксической деполяризации, были решены методические задачи для регистрации этих событий, описано ишемическое поражение в различных слоях кортикальных колонок и выявлен вертикальный градиент этого поражения (максимальный в верхних слоях коры). Также мы выявили нейропротекторные эффекты у ряда веществ, а также гипотермии. В планируемом проекте будет продолжено совершенствование модели для скрининга нейропротекторов при фокальной ишемии, вызываемой ЭТ-1, что в первую очередь будет включать в себя описание развития инсульта путем регистрации электрической активности от больших участков коры головного мозга с использованием эпидуральных многоэлектродных матриц на гибко-пленочной основе. Мониторинг пространственных изменений в электрокортикографической активности, в том числе идентификация мест возникновения и путей распространения по коре патологических медленно-волновых паттернов активности с помощью этой сравнительно малоинвазивной и часто используемой у пациентов методики в сочетании с визуализацией внутренних оптических сигналов ткани мозга, позволит лучше охарактеризовать процессы возникновения и пространственную динамику развития очага ишемического повреждения. Этот же методический подход может стать весьма информативным для оценки эффективности веществ – потенциальных нейропротекторов. Вторая задача планируемого проекта нацелена на исследование гигантских сверхмедленных отрицательных потенциалов (СОП), которые были открыты совсем недавно при мониторинге электрической активности на поверхности мозга у пациентов во время возникновения ишемии головного мозга. Достигающие рекордных значений -150 мВ, эти события являются самыми большими по амплитуде из когда-либо зарегистрированных сигналов в мозге. Большой интерес к СОП у клиницистов и исследователей обусловлен не только их парадоксально большой амплитудой, но и тем, что они четко коррелируют со степенью ишемического поражения. Это было показано в том числе и у пациентов при ишемии, развивающейся как осложнение субарахноидальной геморрагии, при которой, как известно, одним из ключевых факторов является эндотелин-опосредованная вазоконтрикция. Однако, механизм генерации СОП до сих пор остается неизвестным. Большой научной удачей стало то, что нам впервые удалось зарегистрировать СОП, сравнимый по своим параметрам с СОП у человека, в экспериментальной модели ишемии у лабораторных крыс. Мы планируем описать свойства СОП в ЭТ-1 модели фокальной ишемии и при глобальной ишемии, вызываемой ингаляцией азота, охарактеризовать их диагностический потенциал для характеристики степени ишемического поражения, и определить механизмы, лежащие в основе их генерации. Также мы планируем ответить на вопрос являются ли СОП свойствами нейрональной ткани или же аналогичные события также наблюдаются при ишемии других органов. Наконец, в третьей, по большей части методической, задаче мы планируем решить технологическую задачу регистрации связанных с ишемией медленно-волновых процессов (таких, как аноксическая деполяризация и СОП) электродами и многоэлектродными матрицами, которые стандартно изготавливаются из благородных металлов (Ir, Pt или их сплавов). Большим недостатком этих электродов являются не столько их поляризационные свойства, сколько исходно высокие значения смещения базового уровня потенциала, не совместимые с входным диапазоном усилителей постоянного тока. В проекте 2017 для решения этой проблемы была разработана методика инструментальной компенсации смещения базового уровня потенциала. Вместе с тем, возникло предположение о том, что постоянные и медленно-волновые сигналы можно зарегистрировать без потери разрешающей способности путем замены входного СR – фильтра на R-CR фильтр с частичным подавлением низких частот. Исходный сигнал может быть затем восстановлен в полном частотном диапазоне post-hoc путем математического преобразования электрических сигналов с учетом параметров фильтра. Реализация такого решения могла бы обеспечить простое и экономичное решение регистрации медленно-волновых сигналов усилителями переменного тока, которые на сегодня составляют основу парка электрофизиологического оборудования как в исследовательских лабораториях, так и в клинике. В Проекте 2020 планируется не только проверить возможность реализации данного решения и оценить степень достоверности математической реконструкции сигналов, но и разработать совместимое со стандартным оборудованием аппаратно-программное дополнение, расширяющее его диагностические возможности. Оценка точности математической реконструкции сигналов будет вначале произведена на модельных данных, а затем и при реальной регистрации медленных волн аноксической деполяризации и сверхмедленных СОП в коре головного мозга крыс в ЭТ-1 модели и в модели распространяющейся деполяризации, вызываемой KCl.

Ожидаемые результаты
Основным результатом станет усовершенствованная модель для скрининга лекарственных веществ - нейропротекторов при ишемии головного мозга, основанная на прямой доставке нейропротекторов в зону ишемии и комплексном морфо-функциональном мониторинге зон ишемического поражения во время острой фазы ишемического инсульта. В частности, планируется получить следующие новые научные результаты: 1. В модели фокальной ишемии, вызываемой ЭТ-1 в соматосенсорной коре головного мозга крыс будет описано развитие ишемического поражения коры в острую фазу инсульта путем регистрации электрической активности от больших участков коры головного мозга с использованием эпидуральных многоэлектроднгых ЭКоГ матриц на гибко-пленочной основе в комбинации с нейроимаджингом внуренних оптических сигналов. Будут охарактеризованы пространственные изменения в электрокортикографической активности и сопутствующие им оптические сигналы, будут идентифицированы места возникновения и пути распространения патологических медленно-волновых паттернов активности. Эти данные позволят более полно охарактеризовать процессы возникновения ишемического очага и динамику его пространственного развития. Данный методический подход существенно усовершенствует систему скрининга лекарств-нейропротекторов при фокальной ишемии коры головного мозга. 2. Также в модели фокальной ишемии коры, вызываемой ЭТ-1, равно как и в модели глобальной ишемии, вызываемой ингаляцией азота, будут охарактеризованы свойства гигантских сверхмедленных отрицательных потенциалов (СОП), охарактеризован их диагностический потенциал для оценки степени ишемического поражения. Путем сравнительного анализа различных факторов, способных вносить вклад в изменения внеклеточного потенциала во время ишемии, будут определены механизмы, лежащие в основе генерации СОП. Также в модели окклюзии почечной артерии будет получен ответ на вопрос являются ли СОП свойствами нейрональной ткани или же аналогичные события также наблюдаются при ишемии других органов. 3. Будет реализована методика регистрации связанных с ишемией медленно-волновых процессов (таких, как аноксическая деполяризация и СОП) путем модификации в каскаде входного фильтра высоких частот в усилителе переменного тока с его конвертацией в усилитель постоянного тока с частичным подавлением низких частот. На следующем этапе медленно-волновая активность будет реконструирована путем математического преобразования электрических сигналов с учетом параметров модифицированного фильтра. Будет дана оценка степени достоверности математической реконструкции модельных и реальных сигналов - медленных волн аноксической деполяризации и сверхмедленных СОП в коре головного мозга крыс в ЭТ-1 модели и в модели распространяющейся деполяризации, вызываемой KCl. Решение данной задачи может иметь важное практическое значение, обеспечив простое и экономичное решение регистрации медленно-волновых сигналов мозга при его ишемическом поражении, а также при травме головного мозга, эпилепсии и мигрени.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Настоящий этап исследований был посвящён совершенствованию системы скрининга нейропротекторов при фокальной ишемии коры головного мозга, в том числе разработке методик комплексного электро-имаджингового исследования топологии и динамики физиологических и патофизиологических паттернов в коре головного мозга, характеристике и прогностической значимости ишемических сверхмедленных отрицательных потенциалов (СОП), а также разработке оригинальной методики для реконструции медленноволновых процессов при регистрации электрической активности в коре головного мозга с применением R-CR фильтров с частичным подавлением низких частот. Кроме того, нами была исследована динамика смерти нейронов относительно аноксической деполяризации (АД) в модели кислородно-глюкозной депривации в срезах коры головного мозга ин витро, и описаны эффекты локальной гипертермии на электрическую активность коры головного мозга в рамках исследования нейропротекторных эффектов локальной гипотермии при фокальной ишемии головного мозга. Для исследования топологии и динамики распространения спонтанных и сенсорно-вызванных физиологических паттернов активности мозга, а также патологического паттерна распространяющейся депрессии (РД) в калиевой модели были применены эпидурально расположенные матрицы ЭКоГ электродов, которые были разработаны нашими коллегами в МФТИ. Данные матрицы в силу своей оптической прозрачности также позволили производить одновременную регистрацию внутренних оптических сигналов (ВОС). Комбинированная регистрация электрической активности коры головного мозга одновременно с ВОС регистрацией позволила охарактеризовать пространственную организацию ответов, вызываемых стимуляцией отдельных вибрисс в бочонковой коре, а также распространение дельта-волновой активности и волн РД, вызываемых локальной эпипиальной аппликацией 1М- KCl. Помимо этого, одновременное использование интракортикальных многоэлектродных линейных кремниевых проб позволило охарактеризовать распространение волн РД как в горизонтальном, так и вертикальном измерениях. В частности, было показано, что распространение РД по коре сопровождается угасанием скорости проведения и компартментализацией РД в поверхностных слоях коры, с последующей остановкой проведения РД. При этом был обнаружен феномен волн возбуждения в глубоких слоях коры, которые распространяются параллельно с депрессией в поверхностных слоях, в случаях поверхностных РД-волн. На следующем этапе предполагается использовать данный комплексный электро-имаджинговых подход для исследования развития ишемического поражения коры головного мозга в модели фокальной ишемии, вызываемой ЭТ-1. Для характеристики свойств ишемических сверхмедленных отрицательных потенциалов (СОП) в различных слоях коры головного мозга бы использованы линейные матрицы Ir – электродов в модели фокальной ишемии, вызываемой эпипиальной аппликацией ЭТ-1. Была выявлена корреляция времени возникновения СОП и его амплитуды со степенью морфо-функционального поражения в модели фокальной ишемии, вызываемой эпипиальной аппликацией ЭТ-1. При этом амплитуда СОП была большей в глубине коры, что анти-коррелировало с вертикальным градиентом ишемического поражения с наибольшими функциональными дефицитами на поверхностных слоях. При одновременной регистрации Ir и AgCl – электродами в моделях ишемии, вызываемой ЭТ-1 и ингаляцией азота было обнаружено, что СОП наблюдается лишь на Ir электродах, что предполагает электрохимическую природу этого феномена, что будет исследоваться детально на следующем этапе. В задаче, посвященной разработке методики реконструкции медленноволновых процессов, характеризующих развитие ишемического поражения (РД, АД, СОП), был разработан математический аппарат и осуществлен подбор оптимальных параметров значений элементов R-CR фильтра с частичным подавлением низких частот для ко-регистрации высоко- и низкочастотных ЭЭГ сигналов, который позволяет адекватную регистрацию активности в широком частотном диапазоне, включая сверхмедленные процессы СОП, РД и АД, и традиционные диапазоны от дельтаволновой активности до спайковой активности. В результате удалось достичь удовлетворительной реконструкции медленно-волновых процессов без потери амплитудных и фазовых характеристик сигнала в полном частотном диапазоне. Данный подход позволит извлечь характеристики ишемических медленно-волновых процессов не только с помощью модификаций во входных фильтрах, но также и при использовании стандартных ЭЭГ-регистраторов, что может стать важным инструментом для прогностики ишемического поражения. Помимо поставленных в задании задач, были также решены две комплементарные задачи. Во-первых, была исследована динамика необратимой потери мебранного потенциала и возбудимости нейронов (как метрик смерти нейронов) относительно аноксической деполяризации (АД) в модели кислородно-глюкозной депривации в срезах коры головного мозга ин витро. Было показано, что потеря этих витальных функций происходит задержанно, в течение десятков минут на популяционном уровне, и что АД не является ультимативным маркером нейрональной смери при ишемии, как это считалось ранее в данной модели. Эти данные согласуются с данными, полученными ин виво, и позволяют использование КГД-модели ишемии для исследования нейропротекторов в пост-АД периоде ишемического поражения. Во-вторых, было исследовано влияние локальной гипотермии на электрическую активность коры головного мозга в качестве контрольных экспериментов по исследованию нейропротекторных эффектов локальной гипотермии при фокальной ишемии головного мозга. Было выявлено, что локальная гипотермия подавляет медленные колебания и десинхронизирует активность нейронов во всех слоях коры. При этом уменьшается частота нейрональной активности во всех слоях коры, за исключением 5 слоя, в котором охлаждение индуцирует переменные и непоследовательные изменения активности нейронов, что является общей особенностью перехода от синхронизации медленных волн к десинхронизированной активности в коре головного мозга.

 

Публикации

1. Бурханова Г., Винокурова Д., Чернова К., Захаров А., Хазипов Р. Negative ultraslow potentials during endothelin-evoked focal ischemia in the rat cerebral cortex European Journal Of Clinical Investigation, Vol 50, Pages 63-63, Supplement 1, SI (год публикации - 2020).

2. Бурханова Г., Чернова К., Хазипов Р., Шерозия М. Effects of Cortical Cooling on Activity Across Layers of the Rat Barrel Cortex Frontiers In Systems Neuroscience, Vol 14, Article 52 (год публикации - 2020).

3. Бурханова Г., Чернова К., Шерозия М., Захаров А., Хазипов Р. The neuroprotective effect of local hypothermia in the rat model of the endothelin-1-induced focal cerebral ischemia European Journal Of Clinical Investigation, Vol 50, Pages 63-63, Supplement 1, SI (год публикации - 2020).

4. Юзекаева Э., Гайнутдинов А., Мухтаров М., Хазипов Р. Reappraisal of anoxic spreading depolarization as a terminal event during oxygen-glucose deprivation in brain slices in vitro Scientific Reports, Volume 10, Issue 1, Article 18970 (год публикации - 2020).