Изучение нейробиологических основ фармакологической коррекции синдрома дефицита внимания и гиперактивности на животных моделях.

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 21-75-20069

НазваниеИзучение нейробиологических основ фармакологической коррекции синдрома дефицита внимания и гиперактивности на животных моделях.

Руководитель Вольнова Анна Борисовна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова нейромодуляция, дофамин, норадреналин, голубое пятно, префронтальная кора, пространственное обучение, память, внимание, животные модели

Код ГРНТИ34.39.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект ставит своей целью изучить нейрофизиологические механизмы компенсаторного влияния норадренергической модуляции на когнитивные расстройства, вызванные повышенной активностью дофаминергической системы мозга. Гипердофаминергия является причиной развития синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ). Для СДВГ характерны гиперактивность, гипервозбудимость, импульсивность поведения, ухудшение памяти и эффективности обучения, нарушения сна и циркадных ритмов. Этот синдром развивается в детском возрасте (по разным оценкам, у 3-10% детей), в 80% случаев симптомы СДВГ продолжают проявляться в течение всей жизни (Barkley, 1990, Weiss and Hechtman, 1993). Сложности с организованностью и концентрацией внимания негативно влияют на академическую успеваемость, а также на социальную и частную жизнь (Barkley, 1991, Cantwell, 1996). Поиск наиболее эффективной терапии СДВГ является актуальным и приоритетным направлением медицинских исследований. В качестве экспериментальной модели гипердофаминергии будут использоваться крысы с нокаутом гена, кодирующего белок транспортера обратного захвата дофамина (DAT-KO). Уникальной чертой DAT-KO крыс является повышенное содержание дофамина (ДА) во внеклеточном пространстве в течение всей жизни. DAT-KO является признанной моделью СДВГ. Для таких животных характерна спонтанная гиперактивность (Leo et al., 2018). Кроме того, DAT-KO крысы проявляют и другие поведенческие отклонения, в том числе дефицит пространственной памяти (Adinolfi et al., 2019; Cinque et al., 2018; Kurzina et al., 2020; Leo et al., 2018). Крысы DAT-KO также могут быть использованы для моделирования острой гиподофаминергии, так как при введении DAT-KO животным блокатора синтеза ДА, альфа-метил-пара-тирозина, они демонстрируют практически полное истощение внеклеточного ДА, которое длится несколько часов (Sotnikova et al., 2005, 2010). Возможность использования одной генетической линии животных для моделирования состояний как гипер-, так и гиподофаминергии открывает новые перспективы изучения механизмов развития патологических состояний мозга и поиска путей их компенсации. В данном проекте, в качестве компенсаторного воздействия для устранения поведенческих и когнитивных нарушений у DAT-KO крыс предполагается обратимое изменение уровня НА в префронтальной коре (ПФК) головного мозга. Выбор ПФК обусловлен тем, что ПФК является одной из ключевых структур, контролирующих обучение, память и распределение внимания. Нейромодуляторный дисбаланс в ПФК считается причиной многих психических заболеваний, включая СДВГ (Xing et al., 2016). Помимо традиционного фармакологического подхода (использование Клонидина, стимулятора α2-адренорецепторов, и Атомоксетина, ингибитора обратного захвата НА), для исследования роли НА в модуляции активности ПФК предполагается применить новейший метод – хемогенетическую нейромодуляцию при помощи DREADDs (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs). Этот метод позволяет активировать или инактивировать норадренергическую передачу при помощи нейтрального фармакологического агента (CNO, clozapine N-oxid), что становится возможным благодаря предварительному введению аденоассоциированного вектора (Canine adenovirus type 2 vector, CAV-2) в голубое пятно (Locus Coeruleus), источник норадренергических путей в ПФК. На фоне фармакологической и хемогенетической нейромодуляции будет проводиться анализ изменений поведения и электрофизиологическая регистрация нейрональной активности ПФК у контрольных и DAT-KO крыс. Представленный проект является новаторским нейробиологическим исследованием. Впервые будет исследовано компенсаторное влияние НА нейромодуляции на поведение и электрофизиологические характеристики активности мозга DAT-KO крыс. Также впервые будет исследовано влияние острой гиподофаминегрии на поведенческие особенности и электрофизиологические характеристики работы мозга DAT-KO крыс. Использование новейших экспериментальных методов позволит провести селективную модуляцию НА входов в ПФК у трансгенных животных при повышенном и пониженном уровне внеклеточного ДА. Сочетанное применение различных методических подходов (использование нокаутных крыс, поведенческие методики, регистрация электрофизиологических параметров, хемогенетика) позволит получить принципиально новые данные о сочетанной работе ДА и НА медиаторных систем и дать комплексную оценку как нарушениям, наблюдаемым вследствие гипер- и гиподофаминергии, так и эффективности фармакологической и хемогенетической коррекции таких нарушений. Представленный проект имеет большой трансляционный потенциал, поскольку его результаты будут способствовать не только разработке новой лекарственной терапии при СДВГ, но и развитию методических приемов, улучшающих эффективность обучения и психоневрологический статус пациентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Курзина Н., Бельская А., Громова А., Игнащенкова А., Гайнетдинов РР, Вольнова А. Modulation of Spatial Memory Deficit and Hyperactivity in Dopamine Transporter Knockout Rats via α2A-Adrenoceptors Frontiers in Psychiatry, 13:851296 (год публикации - 2022)
10.3389/fpsyt.2022.851296

2. Птуха М., Фесенко З., Бельская А., Громова А., Пелевин А., Курзина Н., Гайнетдинов Р.Р., Вольнова А. Effects of Atomoxetine on Motor and Cognitive Behaviors and Brain Electrophysiological Activity of Dopamine Transporter Knockout Rats Biomolecules, 12, 1484 (год публикации - 2022)
10.3390/biom12101484

3. А.Вольнова., Н.Курзина., А.Бельская., А.Громова., Р.Гайнетдинов., О.Ещенко Guanfacine improves spatial memory by reducing hyperactivity in dopamine transporter knockout rats. European Neuropsychopharmacology, V. 53, Suppl. 1, 170-171 (год публикации - 2021)
10.1016/j.euroneuro.2021.10.226

4. Пелевин А., Курзина Н., Завьялов В., Вольнова А. A Custom Solution for Acoustic Startle Response Setup with Spike2-Based Data Acquisition Interface Methods and Protocols, 6(3), 57 (год публикации - 2023)
10.3390/mps6030057

5. Вольнова А., Курзина Н., Бельская А., Громова А., Пелевин А., Птуха М., Фесенко З., Игнащенкова А., Гайнетдинов Р.Р. Noradrenergic Modulation of Learned and Innate Behaviors in Dopamine Transporter Knockout Rats by Guanfacine Biomedicines, 11(1), 222 (год публикации - 2023)
10.3390/biomedicines11010222

6. Артем Савченко, Джорджия Тарга, Зоя Фесенко, Дамиана Лео, Рауль Р. Гайнетдинов, Илья Суханов Dopamine Transporter Deficient Rodents: Perspectives and Limitations for Neuroscience Biomolecules, 13, 806. (год публикации - 2023)
10.3390/biom13050806

7. Илья Суханов, Артем Доротенко, Зоя Фесенко, Артем Савченко, Евгения В. Ефимова, Микаель С.Мор, Ирина В. Белозерцева, Татьяна Д. Сотникова, Рауль Р. Гайнетдинов Inhibition of PDE10A in a New RatModel of Severe Dopamine Depletion Suggests New Approach to Non-Dopamine Parkinson’s Disease Therapy Biomolecules, 13 (1), 9 (год публикации - 2023)
10.3390/biom13010009

8. Зоя Фесенко, Мария Птуха, Микаэль Мор, Евгения Ефимова, Анна Вольнова DOPAMINE-DEFICIENT DAT-KO RATS (DDD RATS) AS A PERSPECTIVE MODEL OF CHRONIC HYPODOPAMINERGIC STATE IBRO Neuroscience Reports, V.15, Suppl. 1, S404 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ibneur.2023.08.770

9. Бельская А. Элементы стереотипного поведения у крыс, нокаутных по гену обратного захвата дофамина, в различных поведенческих тестах. Актуальные вопросы экспериментальной и клинической медицины - 2023, Актуальные вопросы экспериментальной и клинической медицины – 2023: Сборник тезисов LXXXIV научно-практической конференции с международным участием / Отв. ред. Н.А. Гавришева. – СПб., 2023. – стр. 115. (год публикации - 2023)

10. Громова А.А., Шемякова Т.С.,Хотин М.Г., Петрунина Е.Н., Гайнетдинова Р.Р., Курзина Н.П., Вольнова А.Б. Role of Locus Coeruleus Chemogenetic Modulation in the Behavior of Hyperdopaminergic Rats Lacking the Dopamine Transporter MDPI, Preprints.org Posted: 27 November 2024 (год публикации - 2024)
doi:10.20944/preprints202411.2051.v1

11. Бельская А.Д., Курзина Н.П., Савченко А., Суханов И.М., Громова А.А., Гайнетдинов Р.Р., Вольнова А.Б. Rats Lacking the Dopamine Transporter Display Inflexibility in Innate and Learned Behavior. Biomedicines, 12, 1270 (год публикации - 2024)
10.3390/ biomedicines12061270

12. Фесенко З., Птуха М.А., да Сильва М.М., Карвалхо Р.С.М., Цыцарев В.Ю., Гайнетдинов Р.Р., Фабер Ж., Вольнова А.Б. Electrophysiological and Behavioral Markers of Hyperdopaminergia in DAT-KO Rats. Biomedicines, 12, 2114 (год публикации - 2024)
10.3390/ biomedicines12092114

13. Громова А.А., Шемякова Т.С., Хотин М.Г., Ретрунина Е.Н., Бельская А.Д., Гайнетдинов Р.Р., Курзина Н.П., Вольнова А.Б. Chemogenetic tools for modulation of spatial learning in dopamine transporter deficient rats. Frontiers in Neuroscience, Front. Neurosci. 19:1615208. (год публикации - 2025)
10.3389/fnins.2025.1615208

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Важной стадией исследований, завершающих 2024 год выполнения проекта, было проведение контрольных экспериментов по оценке действия активатора DREADDs клозапина на крысах без трансфекции хемогенетического вируса CAV-2 в норадренергических нейронах голубого пятна (LC). Необходимость контрольных экспериментов обусловлена тем, что клозапин является антипсихотическим препаратом, оказывающим ингибирующее действие на дофаминовые рецепторы. Контрольные эксперименты необходимы для подтверждения специфичности действия клозапина в выбранных дозах именно как активатора DREADDs. Оценка характеристик пространственного обучения крыс DAT-KO и WT в лабиринте Хебба-Уильямса на фоне введения клозапина показала, что эффективность выполнения теста у крыс без DREADDs (группа virus-) не изменялась, тогда как при активации DREADDs (группа virus+) у DAT-KO крыс наблюдалось улучшение эффективности обучения за счет снижения негативного эффекта гипердофаминергии, что свидетельствует о специфическом воздействии активатора на DREADDs. Результаты контрольных экспериментов по анализу показателя непроизвольного внимания (величины преимпульсного торможения PPI) у крыс DAT-KO и WT (virus-) выявили неспецифическое действие клозапина-оксида в выбранной дозе, поскольку его введение крысам DAT-KO и WT без трансфекции (virus-) приводило к сходному результату, что и при активации DREADDs у крыс DAT-KO и WT (virus+). Таким образом, козапин-оксид даже в малых дозах влиял на осуществление акустического стартл-рефлекса как у нокаутов, так и у крыс дикого типа, несмотря на то, что активация DREADD осуществляется его метаболитом клозапином. Поэтому результаты экспериментов с хемогенетической регуляцией PPI у DAT-KO и WT крыс обусловлены действием самого активатора, а не активацией DREADDs. Контрольные эксперименты по оценке электрофизиологических параметров мозговой активности у крыс DAT-KO и WT без трансфекции CAV2 (virus-) на фоне введения клозапина позволили говорить об отсутствии его влияния на показатели сигнала и, следовательно, о специфичности его действия в качестве активатора DREADDs в группе крыс DAT-KO и WT (virus+). Таким образом, на основании завершающей проект серии контрольных экспериментов можно заключить, что активатор DREADDs, в отсутствии указанных рецепторов, оказывал самостоятельное влияние на амплитуду стартл-рефлекса и величину PPI, в связи с чем возможность нейромодуляторного воздействия норадренергической системы на характеристики непроизвольного внимания остается неподтвержденной. В случае оценки характеристик пространственного обучения и показателей взаимосвязи и взаимовлияния разных областей мозга на основании синхронизации частот, составляющих сигнал, нами подтверждается возможность их хемогенетической корректировки через норадренергическую систему. За предыдущие несколько лет проекта нами был выработан протокол успешной трансфекции аденовирусного вектора CAV-2 (крысы “virus+”). По окончании серий экспериментов этого года мы подтвердили, что микроинъекция CAV2 в префронтальную кору (PFC) крыс приводит к эффективному ретроградному проникновению вирусного вектора в нейроны голубого пятна (LC) и стабильной трансфекции норадренергических нейронов этой структуры мозга. Однако при оценке степени заражения норадренергических нейронов LC, нами были получены результаты, показывающие, что в голубом пятне DAT-KO крыс насчитывается достоверно меньший процент нейронов, несущих искусственный рецептор DREADD, что необходимо учитывать, говоря об эффективность хемогенетической активации у крыс разных генотипов и трактуя полученные результаты. Было проведено исследование роли норадренергической хемогенетической модуляции на состояния конститутивной гипердофаминергии у крыс, лишенных транспортера обратного захвата дофамина. Методом микродиализа с последующей с последующей высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) подтверждена достоверно более высокая концентрация внеклеточного дофамина в стриатуме (Str) у DAT-KO крыс по сравнению с WT. Однако, активация DREADDs не выявила достоверных изменений уровня внеклеточного дофамина как у животных дикого типа, так и у DAT-нокаутных животных. Было проведено исследование роли норадренергической хемогенетической модуляции на состояние острой гиподофаминергии, вызваное локальным введением блокатора синтеза дофамина альфа-метил-пара-тирозина (альфа-МТ) в желудочки мозга крыс DAT-KO. Исследована динамика изменения мощности сигнала, регистрируемого от префронтальной коры и стриатума в модели гиподофаминергии у DAT-KO крыс на фоне модуляции норадренегической передачи (активация DREADDs клозапином). У DAT-KO крыс вызванная острая гиподофаминергия практически не отражалась на показателях спектральных мощностей сигнала в PFC и Str, дальнейшая хемогенетическая активация и соответствующее ей усиление норадренергической передачи приводила к повышению мощности сигнала в низкочастотном и снижению в высокочастотном диапазонах в обеих исследованных структурах. Хемогенетическая активация DREADDs клозапином слабо повлияла на когерентность сигнала в паре PFC-Str у DAT –KO крыс, приводя лишь к незначительному снижению данного показателя у крыс DAT-KO в низкочастотном диапазоне. Разнонаправленные изменения мощностей частот в ответ на хемогенетическую активацию не позволяют сделать однозначного вывода об эффективности данного воздействия. Ставя финальную точку в исследовании состояния острой гиподофаминергии в рамках выполнения проекта, было решено провести иммуногистохимическую оценку распределения дофаминергических нейронов в черной субстанции (SN) и вентральной области покрышки (VTA) у WT и DAT-KO, перенесших гиподофаминергию, вызванную локальными внутрижелудочковыми микроинъекциями альфа-МТ. Впервые было показано, что состояние острой гиподофаминергии, вызванное внутрижелудочковым введением альфа-МТ, приводит к достоверному снижению числа TH+ дофаминергических нейронов как в SN, так и в VTA. Важно отметить, что статически значимая гибель TH+ нейронов отмечается как у DAT-KO, так и у WT, хотя, как указано выше, альфа-МТ оказывает намного более сильный эффект на нейрохимию DAT-KO крыс, нежели животных WT.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Возможность практического применения результатов Проекта основано на разработке и использовании животных моделей неврологических и психиатрических заболеваний. Модели крыс с гипер- и гиподофаминергией могут быть использованы для доклинического тестирования лекарств, помогающих при синдроме дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), а также с целью разработки новых препаратов, направленных на смягчение симптомов болезни Паркинсона.