В дальнейшем эти иследования могут стать основой для лечения болезней Альцгеймера и Паркинсона.
Что происходит с работой нервных клеток мозга мыши при старении, впервые в мире смоделировали в лаборатории специалисты кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины Университета Лобачевского. По мнению авторов работы, придет время, и нарушение работы мозга можно будет повернуть вспять при помощи световых сигналов, направленных на увядающие астроциты. Детали исследования – в интервью с доцентом кафедры нейротехнологий, доктором биологических наук Еленой Митрошиной.
Елена Митрошина на фоне изображения астроцитов. Фото: пресс-служба ННГУ (Андрей Скворцов)
Ученые давно хотят понять, от чего зависит старение мозга, что в нем происходит с течением времени и приводит к деменции и потере памяти. Основным объектом изучения, конечно, являются клетки мозга – нейроны и астроциты, клетки глии.
– Наша лаборатория занимается исследованием того, как работают не отдельные клетки, а целые сети нервных клеток, включая не только нейроны, но и клетки глии, представителями которой являются астроциты — звездоподобные клетки с отростками, – говорит Елена Митрошина. – Недавно мы завершили первый этап уникального исследования сети таких астроцитов, выращенных из клеток коры головного мозга мыши.
– То есть, ноу-хау вашей работы – в изучении работы целого их сообщества?
– Именно так.
– Про нейроны многие знают со школьной скамьи – это единица нашей нервной системы, которая обрабатывает, хранит и передает информацию с помощью электрических сигналов. А каково предназначение глиальных клеток — астроцитов?
– Раньше считалось, что астроциты, которые располагаются между нейронами, просто помогают им, питают, являются для них структурной опорой. Однако не так давно специалисты поняли, что они участвуют в регуляции работы нейронов, а также в передаче информации наряду с биологически активными веществами – нейромедиаторами. Помимо того, что астроциты передают сигналы нейронам, они общаются и друг с другом. Правда эта система устроена немного по-другому, – это не электрические, а химические сигналы. То есть, клетки передают друг другу информацию посредством так называемых кальциевых волн.
Справка «МК». Кальциевая волна – это последовательная передача астроцитами друг другу сигнальных ионов кальция. Эта особенность характерна именно для глиальных клеток мозга.
Особенность нашей работы заключалась в том, чтобы изучить механизм «общения» астроцитов и то, как это общение изменяется со старением.
– Для этого надо было заглянуть в мозг в режиме реального времени! Как вам это удалось?
– Это была уникальная в своей роде модельная работа, даже не на животных, а на культуре их клеток. Мы вырастили астроциты мыши в лабораторной чашке Петри и посмотрели, как они «общаются» друг с другом посредством кальциевых волн, пока они молодые, и когда состарятся. Естественно, эксперимент длился очень долго, – мы культивировали, выращивали клетки и ждали, когда они начнут проявлять признаки старения. На это понадобилось полгода…
– То есть, через полгода культивированные клетки соответствовали клеткам мозга мыши, прожившей примерно половину своей жизни?
– Можно сказать и так. Учитывая, что мышь в среднем живет примерно 1,5 года, наша экспериментальная модель была довольно пожилой, то есть, мы сымитировали старение, последовательно изучая его под микроскопом с помощью кальциевого имиджинга.
Астроциты (выделены красным) под микроскопом. Фото: пресс-служба ННГУ (Андрей Скворцов)
– И как же оно происходило?
– Мы выяснили, что астроциты со временем стали передавать друг другу меньше сигналов. Анализ таких данных – очень сложная задача, и в этом нам помогло сотрудничество с математиками нашего университета, прежде всего с Михаилом Кривоносовым. Мы предполагаем, что кроме уменьшения передачи сигналов между астроцитами, у них снижается и взаимодействие с нейронами, а в целом все это приводит к нарушениям работы мозга. Поэтому следующим этапом нашей работы будет поиск механизма поддержания этого «общения», чтобы астроциты продолжали с возрастом работать как молодые.
– Очень интересно. Есть предложение, как это можно сделать?
– Мы хотим использовать для омолаживания сигнальной системы мозга методы оптогенетики. Это современная генно-инженерная технология: создается специальный светочувствительный белок, который встраивается в мембрану клетки и создает канал для прохода в клетку ионов кальция. Управляется канал светом определенной длины волны. Дальше активированный таким образом астроцит передает информацию соседним астроцитам.
– То есть, в каждую клетку такой белок вживлять не обязательно?
– Не обязательно. В этом и заключается прелесть астроцитов, – они очень дружные ребята, которые хорошо взаимодействуют между собой. Если активизировать один или несколько из них, дальше они передадут сигнал всем остальным.
– Если забежать вперед, как будет в будущем выглядеть операция по омоложению астроцитов человеческого мозга?
– Если подтвердятся наши самые оптимистичные предположения, даже операции не понадобится. Это будет отдельный транскраниальный (через череп) укол, обеспечивающий клетку тем самым необходимым светочувствительным белком, о котором мы говорили выше.
– Он будет реагировать на внешний свет?
– На нынешнем этапе развития технологий для того, чтобы белок среагировал на свет, необходимо его источник – оптоволокно — доставить поближе к клеткам. На людях это не делают. В случае с мышами, в мозг вживляется специальная канюля, капсула через которую к клеткам проводят оптоволокно. Но технологии развиваются, – специалисты работают над созданием максимально светочувствительных белков, которые реагировали бы на свет при транскраниальной стимуляции, без вживления оптического волокна в глубокие ткани мозга.
Это будущее. Пока же ученые проверяют оптогенетический метод на культурах тех самых зрелых клеток мозга мыши. Если получат хороший результат, перейдут на самих животных, ну а после – и на человека. Кто знает, может, мы стоим у истоков технологии, которая позволит нашей цивилизации, как минимум, забыть что такое деменция и возрастные проблемы с обучением. В дальнейшем она же может стать основой для лечения болезней Альцгеймера и Паркинсона.
