1 December 2021, 14:30

Флуоресцентные биосенсоры позволили исследовать процессы, происходящие в нервных клетках во время инсульта

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.

Флуоресцентные биосенсоры позволили исследовать процессы, происходящие в нервных клетках во время инсульта
Крыса с оптическими волокнами, имплантированными в мозг
Source: Илья Кельмансон

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.

 

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Ученые раскрыли молекулярные механизмы антитромботического действия куркумина
Это вещество из куркумы само способно снижать образование тромбов, но, как оказалось, может усилить терапевтический эффект антитромботического лекарства кангрелора
Biochemistry
Molecular Biology
Pharmacology
14 January 2022
Новые биосенсоры помогут изучать воспалительные процессы
Генетически кодируемый сенсор состоит из двух частей: взаимодействующей с молекулами, которые выделяют иммунные клетки, и флуоресцентной, чье свечение может изменяться
Biochemistry
Biosensorics
Immunology
13 January 2022
Свечение молекул в шарообразных культурах клеток поможет бороться с нейродегенеративными и генетическими заболеваниями
Российские ученые разработали метод, который в режиме реального времени выявляет нарушения метаболизма нервных клеток
Cell Biology
Metabolomics
Molecular Biology
Neuroscience
14 December 2021
Ингибитор ферментов улучшил состояние грызунов с остеоартритом
Московские ученые представили результаты доклинических испытаний препарата-ингибитора ферментов, который помог остановить разрушение костей и суставов при остеоартрите
Biochemistry
Molecular Biology
Pharmacology
Pharmacy
7 December 2021
Химики МГУ изучили тонкости воздействия токсичных веществ на организм
Сотрудники кафедры аналитической химии химического факультета МГУ обнаружили значимые метаболиты, наличие которых в организме можно связать с отравлением сильнодействующими веществами. Выявленный набор маркеров позволяет понять детальный механизм воздействия отравляющих веществ на животных и людей и правильнее лечить больных. Работа опубликована в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry.
Biochemistry
Metabolomics
Toxicology
25 November 2021
Ускорен поиск новых лекарств с помощью машинного обучения
В последние годы компьютерное моделирование сильно облегчило создание новых лекарств за счет предсказания структуры молекул и их взаимодействий. Однако даже такой «чисто компьютерный» скрининг может быть слишком дорог и затруднен, если речь идет о миллионах веществ. Поэтому авторы новой статьи в Journal of Chemical Information and Modeling — исследователи из МФТИ, Университетов Гронингена и Гренобля, — сделали этот процесс намного быстрее и эффективнее с помощью активного машинного обучения.
Drug Design
Machine learning
Molecular Biology
13 February 2024