Далеко не все в медицине можно изучить на человеке или близких ему видах. Множество патологий исследуют на гораздо более мелких и просто устроенных организмах. Чаще всего на мышах. Второе по значимости лабораторное животное в биомедицине — рыба данио рерио. Особенно актуально ее использование для трансляционной нейробиологии, задача которой — практическое применение фундаментальных знаний о нервной системе. Ученые из нескольких российских научных организаций под руководством Алана Калуева всесторонне рассмотрели преимущества зебраданио для моделирования нарушений работы мозга, поиска периферических биомаркеров заболеваний, исследования молекулярных механизмов и неврологических нарушений при травматическом повреждении мозга. Результаты исследования опубликованы в журналах Biochemistry и Российском физиологическом журнале им. И. М. Сеченова. Популярно о них рассказывает издание МФТИ «За науку».
Рыбки в лаборатории. Фото Натальи Арефьевой, пресс-служба МФТИ
Данио рерио (Danio rerio) — небольшие пресноводные костные рыбки, хорошо знакомые аквариумистам. Благодаря неприхотливости в содержании, дешевизне, высокой генетической и физиологической гомологии с человеком, полностью прочитанному геному эти животные стали популярным модельным организмом в науке. На них ставят поведенческие, молекулярно-биологические, генетические эксперименты.
Устройство центральной нервной системы данио рерио вызывают особый интерес. У них много консервативных характеристик общих с высшими позвоночными, отсутствует кора головного мозга, высокая способность к нейрогенезу.
Данио рерио вошла в арсенал трансляционной нейробиологии не так давно, но уже послужила для создания множества моделей нейродегенеративных патологий, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, эпилепсии. Особенно ученых интересует поиск периферических биомаркеров, сопровождающих заболевание, которые легко анализировать в крови, коже. Как средство ранней диагностики это актуально для многих патологий, где нарушается работа мозга.
Несколько лет назад российские ученые показали, что данио рерио служит адекватной моделью для исследования острого и хронического стресса — ключевых факторов болезней мозга, включая самые распространенные — депрессию, тревожное расстройство.
У этих рыбок часто наблюдается сходная с человеком биохимическая реакция на патологию, что делает их удобными для поиска биомаркеров не только в мозге. Недавно исследователи успешно смоделировали на основе зебраданио болезнь Ниманна—Пика типа C, вызываемую мутациями генов NPC1 и NPC2. Этому способствовало наличие у рыбки ортологичных человеческому (выполняющих те же функции) участков генома. Модели воспроизвели не только неврологические симптомы и повреждения висцеральных органов, но и накопление свободного холестерина в межклеточном пространстве, характерное для этой болезни.
Больших успехов удалось добиться в моделировании различных видов эпилепсии, в частности пиридоксин-зависимых форм. Из-за мутации гена ALDH7A1 возникает дефицит витамина B6 в организме, что приводит к тяжелым последствиям. Исследование этих редких наследственных заболеваний на зебраданио помогает обнаружить новые мишени для таргентной терапии и разработать новые препараты для лечения.
В отличие от людей, у рыбок данио рерио высокая скорость нейрогенеза и нейрорегенерации сохраняется на протяжении всей жизни. Причем нейроны образуются из стволовых клеток во многих участках мозга. При травме или воздействии химического сигнала нейрональные стволовые клетки начинают активно размножаться и мигрировать к очагу при поддержке окружающих клеток. Регенерация происходит быстро и не оставляет следов, таких как глиальные шрамы, разрушения нейронных сетей даже при обширных повреждениях.
Эти и другие особенности делают зебраданио удобной моделью для изучения травматических повреждений мозга у человека с целью разработать новые методы лечения. При нейротравме патологический процесс принимает две формы: первичную как ответ на механическое повреждение и вторичную реакцию на первичную форму. В обоих случаях запускаются гибель клеток, воспалительные процессы.
Молекулярный механизм, стоящий за обеими патологическими формами нейротравм, чрезвычайно сложен. Изучить его помогают данио рерио. Чаще всего нейротравмы наносят иглой или ультразвуком. Оба метода не лишены недостатков. Преодолеть их поможет оригинальный подход с использованием направленного лазера, предложенный авторами из России. В отличие от других способов, он не ведет к повреждению тканей и может применяться точечно.
Общая установка (слева) для лазерной индукции нейротравмы у взрослых зебраданио (справа). Источник: Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова
Рыбку фиксируют во влажной вискозной губке и обрабатывают коротким лазерным импульсом. Прозрачная кожа и череп позволяют сфокусировать луч строго на мозге. Главное — настроить лазер так, чтобы не вызвать сильного перегрева в месте контакта. Такое точечное термическое воздействие позволяет исследовать динамику молекулярных ответов на нейротравму.
«Направленные воздействие лазера у зебраданио моделирует легкую форму травматических повреждений мозга. Это полезный инструмент для изучения механизмов патогенеза и проведения доклинический скрининг нейропротекторных препаратов», — отметила соавтор статей Елена Петерсен, руководитель Центра биомедицинских технологий Института биофизики будущего МФТИ.
В то же время, подчеркивают исследователи, последствия нейротравм у человека и модельных животных значительно различаются. Особенно это заметно у рыб. Эксперименты показали, что зебраданио быстрее восстанавливаются, у них короче период активности провоспалительных маркеров, быстрее происходит регенерация, что снижает долговременные последствия нейротравм. Это те процессы, что стоит активировать у человека в первые часы после повреждения. Впрочем, есть и другие ограничения по сравнению с моделями нейротравм у млекопитающих.
В работе принимали участие исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова МЗ РФ, Научно-технологического университета «Сириус», Института трансляционной биомедицины СПбГУ, НИИ нейронаук и медицины, Российского научного центра радиологии и хирургических технологий имени академика А. М. Гранова, Уральского федерального университета.
Текст: Татьяна Пичугина
Ilyin, N.P., Petersen, E.V., Kolesnikova, T.O. et al. Developing Peripheral Biochemical Biomarkers of Brain Disorders: Insights from Zebrafish Models. Biochemistry Moscow 89, 377–391 (2024). https://doi.org/10.1134/S0006297924020160
