Основные направления научных исследований в лаборатории:
1.Исследование функций дофаминовой системы.
Дофамин отвечает за ряд важных физиологических функций в организме (Beaulieu, Gainetdinov, 2011). Нами был проведен ряд исследований направленных на исследование его функций в норме и при патологиях.
Важнейшая роль дофаминергической системы мозга в процессах обучения и памяти хорошо известна (Beaulieu, Gainetdinov, 2011; Wise, 2004). Также показано, что ее нарушения ведут к развитию множества заболеваний мозга (болезнь Паркинсона, синдром дефицита внимания с гиперактивностью СДВГ, обсессивно-компульсивные расстройства), сопровождаемых в том числе снижением способности к обучению (Grace, 2016; Nikolaus и др., 2010). Транспортер обратного захвата дофамина DAT – важное звено дофаминергической системы, контролирующее пресинаптическую дофаминергическую нейротрансмиссию и уровень внеклеточного дофамина (Vaughan, Foster, 2013). У мышей, нокаутных по гену транспортера обратного захвата дофамина DAT (DAT-KO), отсутствует основной механизм удаления дофамина из синаптической щели, поэтому внеклеточная концентрация дофамина в несколько раз выше, чем у обычных животных (Efimova и др., 2016).
Изучение функции дофамина на DAT-КО крысах
Линия крыс с конститутивным нокаутом гена DAT создана методом Zinc-finger nuclease (ZFN) компанией SAGE Labs (USA) под заказ Гайнетдинова Р.Р. Крысы во многих аспектах являются предпочтительными моделями по сравнению с мышами во многих поведенческих и фармакологических исследованиях. У DAT-KO крыс отсутствует механизм обратного захвата внеклеточного дофамина тем самым создается гиперфункция дофаминовой системы мозга (Leo et al., 2018). Эти мутанты используются в исследованиях патологии дофаминовой системы, которая происходит при шизофрении, синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), наркоманиях и др.. Важной особенностью DAT-КО крыс является исключительная зависимость дофаминовой нейропередачи от текущего биосинтеза дофамина. Фармакологическая блокада синтеза дофамина этих мутантов приводит к полному исчезновению дофамина в мозге, а также выраженной акинезии и ригидности. Эта модель дефицита дофамина (DDD крысы) используется в качестве скрининг-модели для поиска новых лекарственных средств для лечения Болезни Паркинсона.
Изучение влияния кардиотонических стероидов на дофаминовую систему
В последние годы появляется все больше сообщений о физиологических и патологических процессах, в которых Na, K-АТФаза играет важную роль. Na, K-АТФаза — это мембранный белок, который создает и поддерживает электрохимический градиент через плазматическую мембрану клеток животных. В центральной нервной системе (ЦНС) каталитическая α-субъединица Na, K-АТФазы представлена тремя изоформами; α1 присутствует во всех клетках организма млекопитающих, α2 экспрессируется только в глиальных клетках и миоцитах, а α3 присутствует только в нейронах взрослых организмов млекопитающих (Benarroch, 2011). α3 может действовать как рецептор эндогенных кардиотонических стероидов (CTS) в ЦНС (Benarroch, 2011; Hodes & Lichtstein, 2014; Lopachev et al., 2018). CTS представляют собой группу соединений на основе стероидов, большинство из которых действуют как специфические ингибиторы Na, K-ATPазы (Dvela, Rosen, Feldmann, Nesher, & Lichtstein, 2007). Эндогенные CTS участвуют в различных физиологических и патологических процессах, таких как регуляция артериального давления, кардиотонический эффект, натрийуретический эффект, развитие гипертония и преэклампсия и др. (Fedorova, Shapiro, & Bagrov, 2010; Hodes & Lichtstein, 2014; Lopachev et al., 2018; Schoner, 2002; Schoner & Scheiner-Bobis, 2008). Однако на сегодняшний день функции эндогенных CTS в ЦНС изучены плохо, хотя хорошо известно, что лечение сердечной недостаточности высокими дозами дигоксина CTS может вызывать расстройства настроения (el-Mallakh, Hedges, & Casey, 1995). Более того, более недавнее исследование показало, что активность Na, К-АТФазы нарушена у пациентов с биполярным расстройством (Banerjee, Dasgupta, Rout, & Singh, 2012). Существует много данных, которые демонстрируют связь дисфункции Na, K-АТФазы с неврологическими и нейропсихиатрическими расстройствами (de Lores Arnaiz & Ordieres, 2014; Holm & Lykke-Hartmann, 2016). Известно, что CTS-уабаин активирует несколько сигнальных каскадов в нейронах, таких как MAPK (Kim et al., 2008; Lopachev et al., 2016), Akt (Yu, Kim, Park, Kim, & Ahn, 2010), PKC (Shuntoh, Taniyama, & Tanaka, 1989) и т. д. Несколько исследований продемонстрировали, что уабаин может модулировать функцию дофаминергической системы путем связывания с Na, K-АТФазой, которая функционально взаимодействует с дофаминовыми рецепторами (Zhang et al., 2013). Исследования микродиализа также показали, что 100 мкМ уабаина, вводимого локально в полосатое тело крысы, вызывает увеличение внеклеточной концентрации дофамина (DA) и 3,4-дигидроксифенилуксусной кислоты (DOPAC) во внеклеточном полосатом теле и снижает концентрацию глутамата и ацетилхолин (Westerink, Damsma, & de Vries, 1989). Также известно, что рилузол, нейропротекторный агент, эффективный в моделях паркинсонизма и других нейродегенеративных заболеваний, дозозависимо увеличивает высвобождение дофамина, вызванное уабаином, за счет стабилизации каналов Na+ в закрытом состоянии (Jones, Joseph, Barak, Caron, & Wightman, 1999).
В 1995 году была разработана модель маниакального поведения, вызванного уабаином, у крыс. В этой модели интрацеребровентрикулярная (ICV) инъекция уабаина мгновенно вызвала гиперактивность у крыс (el-Mallakh, Harrison, Li, Changaris, & Levy, 1995). Индуцированная уабаином модель маниакального поведения у крыс признана среди используемых фармакологических моделей мании (Logan & McClung, 2016; Valvassori et al., 2019). Введение антител против уабаина ослабляет повышение двигательной активности, которое сопровождается трехкратным увеличением CTS мозга, индуцированным амфетамином. Следовательно, нарушение работы Na, K-АТФазы, а также эндогенного CTS может быть вовлечено в проявление мании и определяет эту систему как потенциальную новую мишень для разработки лекарств (Hodes et al., 2016). Мутации в изоформе α3 вызывают у людей маниакальное поведение мышей (Kirshenbaum et al., 2012). Поскольку считается, что гиперактивность, стереотипное поведение и снижение тревожности у грызунов повторяют определенные эндофенотипы психических расстройств, таких как биполярное расстройство и шизофрения (van den Buuse, 2010; Zhuang et al., 2001), на этой модели было проведено несколько исследований с использованием антиманиакальных и антипсихотических препаратов (Valvassori et al., 2016; Wang, Wang, Wang, Huang, & Huang, 2013). Было продемонстрировано, что эффекты уабаина в этой модели происходят из-за активации ERK1 / 2, Akt и тирозингидроксилазы (Yu et al., 2010; Yu, Kim, Park, Kim, & Ahn, 2011), что указывает на участие дофаминергической системы в развитии гиперактивности, индуцированной уабаином. Кроме того, мыши с гиперактивным нокаутом переносчика дофамина (DAT-KO) с повышенным количеством внеклеточного дофамина считаются моделью психических расстройств, связанных с усиленной дофаминергической передачей (Efimova, Gainetdinov, Budygin, & Sotnikova, 2016; Gainetdinov, Jones, & Caron, 1999; Leo & Gainetdinov, 2013), что также предполагает, что уабаин вызывает гиперактивность, снижая обратный захват дофамина в организме полосатое тело.

Исследование ДА нейротрансмиссии после стресса социального поражения
На сегодняшний день известно, что мезолимбическая система дофамина играет ключевую роль в формировании стрессорных реакций и различных аддикций (Weiss и Porrino., 2002; Gonzales и др., 2004; Berke и др., 2000; Grace, 2000; Stuber и др., 2012). Быстрая сканирующая циклическая вольтаметрия (FSCV) является широко распространенным методом исследования дофамина. Преимуществом данного метода является высокое временное (100 мс) и пространственное разрешение. Данные, полученные с помощью вольтаметрических экспериментов, показывают, что острое введение этанола уменьшает терминальное высвобождение дофамина, вызванное электростимуляцией VTA на анестезированных животных или препаратах in vitro (Budygin и др., 2001; Jones и др., 2006; Schilaty и др., 2014; Shnitko и др., 2014; Shnitko и др., 2016). Однако ввиду трудоемкости изготовления электродов для свободноподвижных животных данная методика чаще всего используется на анестезированных животных, что может повлиять на конечный результат. Таким образом, целью настоящей работы являлось исследование влияние стресса социального поражения (Social Defeat Stress, SDS) на фазическое высвобождения дофамина в области прилежащего ядра на свободноподвижных животных c помощью метода FSCV.

2.Исследование функций серотониновой системы
Серотонин - моноаминергический нейропередатчик, который вовлекается в эмбриональное развитие и многие физиологические функции в центральной нервной системе, включая сон, аппетит, агрессию и эмоциональное поведение. Серотониновая система - основная мишень для трициклических антидепрессантов и ингибиторов захвата серотонина (SSRIs). Синтез серотонина в мозге контролируется специфичной для мозга изоформой триптофан гидроксилазы TPH2. Эта модель серотонинового дефицита в мозге - TPH2-KО крысы – широко используются в исследованиях, связанных с депрессией, тревожными состояниями, патологической агрессией. Крысы во многих аспектах являются предпочтительными моделями в поведенческих и фармакологических исследованиях в целом, и, особенно, связанных с эмоциональным поведением, как это ожидается при дефиците серотонина в мозге.

Исследования влияния стресса и отсутствия серотонина в мозге на алкогольное потребление у крыс.
Алкоголь является третьим по значимости фактором риска болезней в России и во всем мире. По данным ВОЗ в результате злоупотребления алкоголя ежегодно в мире умирает 2.5 млн человек, что сопоставимо с населением крупного города, из них 600–700 тысяч приходится на Россию. На сегодняшний день, несмотря на развитие науки и медицины, механизмы развития алкогольной зависимости до конца не ясны, наше понимание точных нейронных механизмов, ответственных за возникновение и развитие алкогольной зависимости, по-прежнему является неполным (McGinnis и Foege, 1999). Успех разработки эффективных методов лечения алкоголизма и наркомании зависит от знания биологических механизмов, лежащих в основе формирования зависимостей. В настоящее время известно, что этанол влияет на мозг путем модуляции многочисленных нейромедиаторных систем, включая, но не ограничиваясь, ГАМК (Koob, 2004; Siggins, 2005), глутамат (Woodward, 2000), серотонин (Grant, 1995), норадреналин (Weinshenker и др., 2000), вазопрессин (Edwards и др., 2012), аденозин (Nam и др., 2013) и дофамин (DA) (Weiss и Porrino., 2002; Gonzales и др., 2004; Koob, 2013).

Исследование серотониновой системы на модели THP-2 - KO
Фермент триптофан гидроксилаза-2 (TPH2) является ключевым в синтезе нейронального серотонина, который играет роль во многих основных процессах высшей нервной деятельности организма, таких как обучение и познавательная деятельность, половое, агрессивное поведение, депрессия (Mosienko и др., 2012; Zhang и др., 2006). Кроме того, дисрегуляция в серотонинергической системе, по данным литературы приводит к общей компенсаторной дисрегуляции в других системах (дофаминергическая, ГАМК и т.д.), однако данные процессы недостаточно исследованы. В исследованиях на мышах показана, высокая агрессивность и импульсивность TPH2 нокаутов. Таким образом, данная модель может так же использоваться для моделирования нейропсихических заболеваний, при которых у пациентов наблюдается сниженный контроль эмоций, таких как: дефицит внимания и гиперактивность, обсессивно-компульсивный синдром, немотивируемая агрессия и асоциальное поведение. Крысы, обладая более разнообразным поведенческим репертуаром, чем мыши могут дать исследователю больше данных для изучения, поэтому мы используем модель TPH2 нокаутных крыс, которые к настоящему времени мало изучены, для исследования функций серотониновой системы.
Психиатрические заболевания имеют многофакторный патогенез, включая генетические факторы и факторы окружающей среды, которые могут взаимодействовать, вызывая широкий спектр симптомов (Akiskal и McKinney, 1973, 1975). Среди генетических факторов, которые могут предрасполагать к развитию психиатрических заболеваний, таких как депрессия, наиболее изучены изменения в серотонинергической системе, в т.ч. в клинических и доклинических исследованиях (Caspi и др., 2003; Calabrese и др., 2013; Brivio и др., 2018; Ottenhof и др., 2018). Примечательно, что серотонинергические проекции иннервируют паравентрикулярное ядро гипоталамуса, а также области мозга, участвующие в стресс-индуцированной активности оси ГГНС, включая префронтальную кору (ПФК) (Pan and Gilbert, 1992; Van de Kar и др., 2001; Герман и др., 2003).
Синтез серотонина начинается с гидроксилирования триптофана триптофангидроксилазой (TPH) (Fitzpatrick, 1999). Этот фермент существует в двух изоформах: TPH1, экспрессирующийся на периферии, и TPH2, который экспрессируется в ядрах шва головного мозга и ответственен за синтез серотонина на центральном уровне (Walther и др., 2003). Соответственно, у моделей животных с генетической делецией TPH2 снижен уровень серотонина в головном мозге (Mosienko и др., 2015).
Как упоминалось выше, факторы окружающей среды также играют ключевую роль в проявлении расстройств настроения. Хронический стресс является одним из основных провоцирующих факторов, негативно влияющих на поведение (Breslau and Davis, 1986; Lupien и др., 2018). Напротив, острый стресс может оказывать положительное влияние на мозг, приводя к активации нейропластических механизмов и транскрипции зависимых от активности генов (Brivio и др., 2020). В этом контексте недавно было продемонстрировано, что, несмотря на нормальный паттерн высвобождения кортикостерона при остром стрессе, дефицит TPH2 у крыс приводит к усилению экспрессии нейротрофина BDNF в обычных условиях, но к притуплению реакции на острый стресс (Brivio и др., 2018).

3.Изучение функции следовых аминов и их рецепторов (TAARs)
Также среди направлений исследований в лаборатории остается поиск лигандов к TAAR-рецепторам в качестве терапевтических агентов для лечения психических расстройств, а также изучение функции данной группы рецепторов (В данном отчете отображаются данные, которые не входят в отчет промежуточный отчет РНФ, грант №19-75-30008, этап 3). Открытие в 2001 году нового класса моноаминергических рецепторов сопряженных с G белками (G protein-coupled receptors, GPCRs) – рецепторов ассоциированных со следовыми аминами (Trace Amine-Associated Receptors, TAARs, 6 функциональных генов идентифицированы у человека, TAAR1-TAAR9) открыла возможность изучения функциональной роли эндогенных Следовых Аминов (Trace amines, TA) в физиологии и патологии млекопитающих (Gainetdinov et al., 2018). Следовые Амины, такие как β-фенилэтиламин, тирамин, триптамин и октопамин, структурно близки к классическим моноаминам и играют важную роль в физиологии беспозвоночных, но их функции в организме млекопитающих, где они представлены в «следовых» количествах, остаются малоизученными. Определение роли этих аминов и их рецепторов в физиологии млекопитающих могло бы объяснить многие загадки патологии и фармакологии моноаминергической передачи. В целом, ТА присутствуют в ЦНС и функционируют параллельно с моноаминергическими путями. ТА структурно связаны, ко-локализуются и высвобождаются вместе с биогенными аминами. Считается, что ТА обладают нейромодуляторными функциями классических нейротрансмиттеров, таких как дофамин, серотонин и норадреналин, на уровень которых влияют все использующиеся в клинической практике антидепрессанты и антипсихотические препараты. Нарушения в физиологии ТА уже длительное время ассоциируется с шизофренией и депрессией. Изменённые уровни следовых аминов были обнаружены также у пациентов, страдающих синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), болезнью Паркинсона и некоторыми другими заболеваниями мозга (Gainetdinov et al., 2018). Таким образом, считается, что идентификация новых лигандов TAAR рецепторов может привести к разработке принципиально новых лекарственных средств. Наиболее изученным рецептором среди TAARs является TAAR1, который уже является доказанной новой мишенью для фармакологии широкого спектра психиатрических, неврологических и метаболических расстройств и вещества, воздействующие на TAAR1 уже находятся на второй и третьей стадии клинических испытаний компаниями Roche (Ralmitaront - шизофрения и другие психические заболевания) и Sunovion (Ulotaront - шизофрения), соответственно.

Также в этом году опубликованы работы по следующим направлениям:
oИзучение краткосрочного вазомоторного ответа при эпилептических припадках
oДивергентная экспрессия изофермента диметиларгинин диметиламино гидролазы в центральной нервной системе
oНовая коронавирусная инфекция COVID-19, вызванная вирусом SARS-CoV-2

Таким образом, в Лаборатории Нейробиологии и Молекулярной Фармакологии СПбГУ проводятся многоплановые работы по оценке фармакологического потенциала классических и малоизученных моноаминовых систем мозга при различных психиатрических и нейродегенеративных заболеваниях. Эти исследования проводятся с использованием самых современных подходов: от клеточных in vitro методов, до использования трансгенных животных. Кроме того, поддерживается работа Вивариума, в котором содержатся несколько пород трансгенных крыс и мышей и создаются новые.

За время существования лаборатории было опубликовано более 100 полноценных публикаций в международных научных журналах включая Nature Genetics, Nature Communications, Science Translational Biomedicine, Cell Stem Cell, PNAS и др.