Исследователи во главе с биологами из Университета Тафтса обнаружили, что мозг развивающихся эмбрионов лягушек, поврежденных воздействием никотина, можно восстановить с помощью лечения определенными препаратами, называемыми «ионоцевтиками», которые стимулируют восстановление биоэлектрических паттернов в эмбрионе, а затем восстановление нормальной анатомии, экспрессии генов и функции мозга у растущего головастика. Исследование, опубликованное сегодня в Frontiers in Neuroscience, представляет стратегии вмешательства, основанные на восстановлении биоэлектрической «схемы» эмбрионального развития, что, по мнению исследователей, может стать дорожной картой для исследования терапевтических препаратов, помогающих исправить врожденные дефекты.
Предыдущие исследования показали, что никотин нарушает нормальные электрические схемы в мозге растущего эмбриона, в основном размывая или уменьшая контрастность биоэлектрической схемы - «карты» различных уровней напряжения вокруг клеток, которые Направляет структуру и рост тканей и органов. Никотин у людей был связан с пренатальной заболеваемостью, внезапной младенческой смертью, синдромом дефицита внимания и гиперчувствительности (СДВГ) и другими нарушениями когнитивных функций, обучения и памяти, но оставалось много вопросов о том, как эта молекула вызывает структурные дефекты в головном мозге.
Авторы применили никотин к развивающимся эмбрионам лягушек, чтобы создать нервные дефекты с намерением определить конкретные вмешательства, которые могли бы обратить вспять вредное воздействие химического вещества. Их предыдущее исследование выявило один конкретный элемент в естественной электрической передаче сигналов, которая контролирует развитие мозга, активируемый гиперполяризацией циклический нуклеотидный управляемый канал-2 (HCN2), который был способен восстанавливать биоэлектрические паттерны - так же, как набор контраста с помощью инструмента для редактирования фотографий. - и защитить от дефектов, вызванных никотином.
В этом исследовании есть два важных новых открытия. Во-первых, в отличие от предыдущей работы, в которой для восстановления дефектов использовалась форма генной терапии, модифицирующая экспрессию HCN2, новые эксперименты показали, что того же эффекта можно добиться без введения гена - вместо этого для активации использовались низкомолекулярные препараты. Каналы HCN2 уже присутствуют в эмбрионе лягушки. Во-вторых, исследователи продемонстрировали, что информация об электрических паттернах, которая управляет развитием мозга, может быть сброшена из удаленного места эмбриона.
«Что было примечательно в экспериментах в этом исследовании, так это то, что, когда мы увеличивали экспрессию HCN2 на расстоянии от мозга, в областях, не связанных с нервной системой, дефекты в мозге все еще восстанавливались или предотвращались», - сказал Майкл. Левин, Ванневар Буш, профессор биологии в Школе искусств и наук Университета Тафтса и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе. «Мы увидели, что HCN2 в одной части эмбриона может восстанавливать биоэлектрический паттерн не только локально, но и на расстоянии."
«Инструкции по созданию взрослого животного, включая такие сложные органы, как мозг, распределяются между всеми клетками эмбриона», - добавил он. «Эти результаты показывают, что нам, возможно, не нужно нацеливаться непосредственно на поврежденную область, и мы можем использовать лекарства вместо генетических манипуляций, что открывает множество возможностей для биомедицинского применения».
В развивающемся эмбрионе биоэлектрические сигналы помогают направлять формирование тканей и органов, а также регенерацию после травм. Они образованы электрически заряженными ионами, движущимися внутрь и наружу клеток, создавая разность потенциалов на клеточных мембранах. Паттерн различий потенциалов среди всего ансамбля клеток эмбриона помогает направлять асимметрию между левой и правой сторонами тела, формирование и развитие сердца, мышц, конечностей и лица и, конечно же, рост и организацию наиболее сложных орган в организме - мозг.
Вычислительная модель ансамбля клеток, представляющих эмбрион и его электрические схемы, подтвердила, что для спасения нормального развития мозга от никотинового повреждения не требуется целенаправленного воздействия на поврежденную область. HCN2 увеличивает гиперполяризацию клетки (увеличение внутренних отрицательных зарядов), поэтому, когда модель попросили гиперполяризовать небольшой участок ткани вдали от мозга, этот участок мог распространяться и восстанавливать поляризацию областей на всем пути к мозгу, устанавливая стадия нормального развития.
Говоря о врожденных дефектах, особенно связанных с мозгом, эти результаты показывают, что нам не нужно нацеливаться на конкретную поврежденную область. Мы можем поместить исправление практически в любое место эмбриона, и информация будет общаться с остальной частью эмбриона, чтобы вернуть инструкции тела в норму», - сказал Вайбхав Пай, доктор философии, научный сотрудник Центра открытий Аллена в Тафтсе и первый автор исследования.«Это заставило нас задуматься, можем ли мы найти лекарство, которое активирует HCN2, и использовать его для предотвращения дефектов в любом месте эмбриона или даже для исправления уже существующих дефектов?»
Существуют препараты, активирующие HCN2 - ламотриджин и габапентин - и они уже одобрены FDA для других показаний. Исследователи снова подвергли эмбрионы лягушек воздействию никотина, а затем обработали их препаратами на разных стадиях эмбрионального развития. Эмбрионы, подвергшиеся воздействию никотина, которые не лечились лекарствами, привели к тому, что около 68% головастиков имели дефекты головного мозга. Для сравнения, обработка эмбрионов, подвергшихся воздействию никотина, ламотриджином или габапентином приводила к значительному уменьшению дефектов головного мозга (всего 10% и 16% головастиков с дефектами головного мозга соответственно).
Восстановление выходит за рамки электрических и физических наблюдаемых дефектов, поскольку авторы продемонстрировали, что головастики, подвергшиеся воздействию никотина, получавшие препараты, не только восстанавливали экспрессию генетических маркеров нормального развития мозга, но и, что примечательно, демонстрировали нормальную способность к обучению (т.грамм. тренировка, чтобы избежать красного света), которая теряется у необработанных головастиков, подвергшихся воздействию никотина, демонстрируя очень полный переход от молекулярной гистологии к поведению.