Изучение нейробиологических основ фармакологической коррекции синдрома дефицита внимания и гиперактивности на животных моделях.: 2021 г. Этап 1

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Представленный проект направлен на решение актуальной задачи медицины и здравоохранения - разработке новых методов лечения психических и неврологических заболеваний, связанных с дисбалансом нейромодуляторных систем головного мозга. Нарушение взаимодействия дофаминергической и норадренергической систем мозга лежит в основе таких заболеваний как паркинсонизм, депрессия, шизофрения,а также различных психозов и синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ). Проведение фундаментальных и доклинических исследований на животных моделях является необходимым звеном для апробации инновационных подходов для решения комплексных проблем в биологии и медицине.
В данном проекте предлагается исследовать нейробиологические основы фармакологической коррекции СДВГ. В частности, проект направлен на изучение механизмов компенсаторной роли норадренергической нейромодуляции при СДВГ, что в настоящее время является приоритетным методом лечения этого расстройства (Sharma and Couture, 2014). Исследования будут проводиться на животных (крысах), которые проявляют целый ряд симптомов, сходных с таковыми у людей с СДВГ. В данной модели, повышенная дофаминергическая модуляция достигается выключением (нокаутированием) гена, кодирующего белок-транспортер обратного захвата дофамина (DAT-KO крысы), что приводит к гипердофаминергии, сопровождающейся рядом поведенческих и когнитивных нарушений. Соответственно, данная экспериментальная модель позволяет изучать механизмы патологии, вызванной нейромодуляторным дисбалансом, в том числе применяя инвазивные методы. Эта модель апробирована на мировом уровне для изучения состояний с гипердофиминегией (Russell, 2011; Sagvolden et al., 2005).
Современный уровень медицины требует делать осторожный и мотивированный выбор стратегий лечения с учетом глубокого понимания нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе когнитивных нарушений, учитывая также индивидуальных особенностей пациента. Выявление процессов, лежащих в основе заболеваний, связанных с дисбалансом взаимодействия норадренергической и дофаминергической систем, позволит как более рационально применять существующие, так и разработать новые лекарственные средства и методы лечения.

Layman's description

Проект направлен на решение актуальной задачи медицины и здравоохранения - разработке новых методов лечения психических и неврологических заболеваний, связанных с дисбалансом нейромодуляторных систем головного мозга. Нарушение взаимодействия дофаминергической и норадренергической систем мозга лежит в основе таких заболеваний как паркинсонизм, депрессия, шизофрения,а также различных психозов и синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ). Цель работы по проекту состоит в исследовании нейробиологических основ фармакологической коррекции СДВГ. Крысы линии DAT-KO – животные с нокаутом по гену, кодирующему белок-транспортер обратного захвата дофамина, для данной линии крыс характерна гипердофаминергия и развитие ряда симптомов, сходных с таковыми у людей с СДВГ. Исследование норадренергической фармакологической коррекции наблюдаемых симптомов позволит понять механизмы взаимодействия дофаминергической и норадренергической систем мозга. Выявление процессов, лежащих в основе заболеваний, связанных с дисбалансом взаимодействия норадренергической и дофаминергической систем, позволит как более рационально применять существующие, так и разработать новые лекарственные средства и методы лечения.

Key findings for the project

В целом, полученные результаты подтверждают трансляционную значимость DAT-KO крыс в качестве оптимальной животной модели для исследования патологий при СДВГ и поиску новых фармакологических подходов для его лечения.

Key findings for the stage (in detail)

Эксперименты по выявлению особенностей непроизвольного внимания у крыс DAT-KO и животных дикого типа (WT) показали, что величина преимпульсного ингибирования (PPI) достоверно ниже у крыс DAT-KO. Эти наблюдения свидетельствуют о сниженном уровне внимания, характерном для DAT-KO крыс – модели СДВГ. Результаты оценки эффективности решения DAT-KO крысами пространственных задач в лабиринте Хебба – Вильямса на этапе предварительного обучения подтвердили гиперактивность DAT-KO крыс. Они пробегали достоверно большее расстояние и с большей скоростью, чем крысы дикого типа, время достижения целевого отсека было достоверно больше по сравнению с WT крысами. Сравнение траекторий движения животных при исследовании лабиринта в поисках пищевого подкрепления подтвердило наличие стереотипии в поведении DAT-KO крыс: крысы дикого типа выбирают оптимальный путь к целевому отсеку, тогда как DAT-KO крысы совершают множество возвратов на старт. Было отмечено, что у DAT-KO крыс время и количество посещений зон ошибок достоверно больше, чем у крыс WT: они проводили большую часть времени в зонах ошибок и чаще посещали эти зоны по сравнению с WT крысами.
Был проведен анализ ряда норадренергических препаратов (гуанфацин, йохимбин и атомоксетин при внутрибрюшинном введении) в качестве корректоров нарушений поведения DAT-KO крыс. Впервые показана эффективность гуанфацина, постсинаптического агониста альфа-2А рецепторов, для коррекции нарушений поведения крыс DAT-KO в лабиринте при решении задачи на пространственную ориентацию: его введение достоверно снижает симптомы гиперактивности, характерные для DAT-KO крыс как модели синдрома СДВГ, улучшает дефицит пространственной памяти, способствует улучшению внимания, снижая количество ошибочных реакций при достижении цели. Введение DAT-KO крысам антагониста альфа-2А рецепторов йохимбина напротив, было неэффективно, усугубляя СДВГ-подобное поведение этих животных. Атомоксетин, блокатор обратного захвата норадреналина, приводил к увеличению количества ошибочных реакций при обследовании лабиринта, в то же время снижая количество стереотипичных реакций.
Нами были получены новые данные о влиянии введения гуанфацина, йохимбина и атомоксетина на величину преимпульсного торможения у DAT-KO крыс. Введение йохимбина не приводило к значимым изменениям данного параметра, тогда как гуанфацин и атомоксетин достоверно увеличивали величину преимпульсного торможения у DAT-KO крыс, что говорит об улучшении непроизвольного внимания. Мы предполагаем, что использование гуанфацина для уменьшения симптомов СДВГ может оптимизировать поведение DAT-KO крыс, улучшая внимание и решение пространственных задач при ориентации в лабиринте.
Наряду с поведенческими изменениями, вызываемыми введением норадренергических препаратов, были проанализированы возможные электрофизиологические маркеры нарушений внимания и обучения. Была проведена регистрация электрокортикограммы и локальных потенциалов в трех структурах мозга крыс обеих групп (дорсальный стриатум, первичная моторная и префронтальная зоны коры мозга).
Было обнаружено, что при введении норадренергических препаратов снижение мощности дельта-ритма в ПФК коррелирует с улучшением пространственного обучения и внимания у DAT-KO крыс (эффект наблюдаются при введении гуанфацина), тогда как изменения мощности в диапазоне тета-ритма ассоциированы с различными изменениями. Увеличение мощности тета-ритма коррелирует с ухудшением поведенческих показателей DAT-KO крыс при введении YOH и WT крыс при введении гуанфацина, тогда как снижение мощности в диапазоне тета-ритма коррелирует с улучшением некоторых поведенческих показателей DAT-KO. В то же время, увеличение мощности тета-осцилляций в ПФК DAT-KO при введении гуанфацина не связано с ухудшением в поведении. Таким образом, снижение мощности в диапазонах дельта- и тета-ритмов чаще всего ассоциированы с улучшениями показателей внимания и пространственного обучения, однако эффект может быть различным у WT и DAT-KO животных. Возможно, сочетанное применение GF и АТХ выявит новые возможности данных фармакологических агентов для снижения гиперактивности и персеверации у нокаутных животных и выявления более однозначных электрофизиологических маркеров СДВГ.
Для понимания механизмов взаимодействия дофаминергической и норадренергической систем мозга впервые было проведено исследование состояния гиподофаминергии, вызываемого у DAT-KO крыс инъекцией блокатора синтеза дофамина альфа-метил-пара-тирозина (alphaMT). В этом случае блок выработки тирозингидроксилазы и, следовательно, синтеза нового дофамина, в сочетании с отсутствием транспортера обратного захвата дофамина у DAT-KO крыс, приводит развитию острой гиподофаминергии с практически «нулевым» уровнем дофамина и развитием каталептического состояния. В то же время, животные дикого типа не показывают значительных изменений в поведении.
Обнаружено, что несмотря на критическое влияние на двигательную активность DAT-KO крыс, инъекции alphaMT не оказали значимого воздействия на механизмы непроизвольного внимания, задействованные при осуществлении стартл-рефлекса и преимпульсного торможения. Анализ электрической активности мозговых структур показал, что введение alphaMT оказывает различные эффекты на животных DAT-KO и крыс дикого типа: у WT крыс в стриатуме и префронтальной коре наблюдается достоверное увеличение мощности тета-ритма, у нокаутных животных обнаружен обратный эффект в виде снижения мощности тета-ритма. Таким образом, значительная потеря дофамина, сопровождаемая изменениями в поведении, коррелирует со снижением мощности в диапазоне тета-ритма, который ассоциирован с исследовательским поведением и рабочей памятью.
Дополнительно к запланированным в первый год выполнения проекта работам, было проведено пилотное исследование влияния системного введения гуанфацина в дозе 0.25 мг/кг на уровень внеклеточного содержания дофамина у DAT-KO и WT крыс, с использованием метода микродиализа. Эксперименты подтвердили экстремально высокий уровень внеклеточного дофамина у DAT-KO крыс по сравнению с крысами WT, показанный в предыдущих работах. После введения гуанфацина в дозе 0.25 мг/кг было обнаружено статистически достоверное снижение уровня внеклеточного дофамина как у WT крыс, так и у нокаутных животных. Этот факт подтверждает эффективность использования гуанфацина для коррекции состояния гипердофаминергии.
Таким образом, благодаря исследованиям на крысах, нокаутных по транспортеру дофамина, было положено начало пониманию роли норадренергической системы мозга в коррекции нарушений работы дофаминергической системы у крыс DAT-KO.

Key findings for the stage (summarized)

Цель работы по проекту состоит в исследовании нейробиологических основ фармакологической коррекции синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ). Крысы линии DAT-KO – животные с нокаутом по гену, кодирующему белок-транспортер обратного захвата дофамина. Для данной линии крыс характерна гипердофаминергия и развитие ряда симптомов, сходных с таковыми у людей с СДВГ. Исследование норадренергической фармакологической коррекции наблюдаемых симптомов позволит понять механизмы взаимодействия дофаминергической и норадренергической систем мозга. Анализ поведения нокаутных животных подтвердил целесообразность использования DAT-KO крыс в качестве животной модели СДВГ.
Полученные результаты позволяют сделать предположение об эффективности норадренергической коррекции симптомов гиперактивности, нарушений внимания и обучения у крыс DAT-KO. Также полученные в отчетном году результаты подтверждают трансляционную значимость DAT-KO крыс в качестве оптимальной животной модели для исследования патологий при СДВГ и для поиска новых фармакологических подходов для его коррекции.

Academic ownership of participants (text description)

Вольнова Анна Борисовна, ст.научн.сотр., руководитель проекта – координация проекта, планирование экспериментов, закупка оборудования, обработка результатов, написание отчетов и статей.
Курзина Наталия Павловна, научн.сотр., - планирование, разработка дизайна и постановка поведенческих экспериментов, обработка полученных результатов, написание отчетов и статей.
Фесенко Зоя Сергеевна, аспирант, лаборант-исследователь Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ – постановка экспериментов по регистрации нейрональной активности мозга контрольных и нокаутных крыс, микродиализ, обработка результатов, написание отчетов и статей
Птуха Мария Александровна, аспирант, лаборант-исследователь Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ – постановка экспериментов по регистрации нейрональной активности мозга контрольных и нокаутных крыс, генотипирование нокаутных животных, обработка результатов, написание отчетов и статей.
Шемякова Таисия Сергеевна, аспирант, лаборант-исследователь Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ – подготовка материала для иммуногистохимического анализа срезов мозга контрольных и нокаутных крыс для идентификации норадренергических нейронов, гистологический контроль положения хронически вживленных электродов и микродиализных мембран, написание отчетов и статей.
Бельская, Анастасия Дмитриевна, лаборант-исследователь Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ – постановка поведенческих экспериментов в лабиринтах, анализ действия норадренергических веществ, обработка результатов, написание статей.
Пелевин, Арсений Леонидович, лаборант-исследователь Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ – постановка поведенческих экспериментов по регистрации преимпульсного торможения, программирование установки, обработка результатов, написание статей.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

нет

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

да

Rationale of the interdisciplinary approach

нет

Rationale of the intersectoral approach

нет
AcronymRSF_SR_IF_2021 - 1
StatusFinished
Effective start/end date22/03/2131/12/21