Трансгенные модели заболеваний мозга
1332
Сб, 02 Май 2015

Нейробиолог Рауль Гайнетдинов об экспериментальных животных, генетическом нокауте и трансляционной медицине.

Как работает метод генетического нокаута? Какие существуют теоретические подходы к выявлению причин шизофрении? Как трансгенные модели применяются в доклинической фармакологии? На эти и другие вопросы отвечает профессор Сколковского института науки и технологий Рауль Гайнетдинов.

Тематика, которой я занимаюсь уже много лет, связана с разработкой новых моделей заболеваний мозга человека на экспериментальных животных. В доклинической фармакологии очень важно воспроизвести патологические процессы, которые происходят при заболеваниях мозга человека, попытаться разобраться с этими механизмами и найти новые мишени для создания лекарственных средств.

В истории фармакологии исследователи пытались воспроизвести это либо при введении психотропных средств, вызывая какие-то изменения в нейротрансмиттерных системах, вовлеченных в заболевание, либо вводили какие-то токсические вещества. И до 1989 года возможности были ограничены только либо фармакологическими, либо нейротоксическими подходами. Однако в 1989 году была разработана методика так называемого нокаута — целевого направленного генетического изменения, когда либо какой-то ген выключается, либо его экспрессия увеличивается, либо снижается на определенное количество, либо увеличивается в разы. То есть возможность генетической манипуляции на животном.

Это открыло совершенно новый мир. И ученые, которые открыли этот подход, получили Нобелевскую премию в 2007 году: Оливер Смитис, Марио Капеччи и сэр Эванс. Эти три великих ученых получили вполне заслуженную Нобелевскую премию, потому что создали возможность для большого количества ученых, занимающихся любыми проблемами (не только мозга, какими угодно), воспроизводить патологию на животных.

В чем сила этого метода и что это нам дает? Вы знаете, все мы как млекопитающие состоим примерно из 20 000 белков. Если упрощенно воспринимать, один ген — один белок, то примерно 20 000 белковых молекул, которые сегодня уже можно изучать путем генетической манипуляции. И, убирая один за другим либо меняя, мы можем наконец-то понимать функции этих белков. Дело в том, что за все годы ученые открыли функции, более-менее представляя себе, какую роль играют 6–7 тысяч белков. Все остальное неизвестно.

На сегодня считается, что до 5000 этих белков могут быть потенциальными мишенями действия психотропных средств и не только психотропных — фармакологических средств. Как изучить функции этих генов? Появились консорциумы, когда выключается один ген за другим. Они появились в Америке, Китае, Австралии. Появились компании, которые пытаются изучать функции этих генов, выключая один за другим и пытаясь нарабатывать патенты и каким-то образом находить и разрабатывать новые лекарственные средства, совершенно неожиданные. Это одно применение.

Второе — если мы знаем, какой патологический процесс вовлечен, то мы можем просто воспроизвести это на животном. И когда мы воспроизводим этот патологический процесс, мы можем пытаться найти новые механизмы, какие-то новые мишени для терапевтического воздействия.

В частности, я занимаюсь таким заболеванием, как шизофрения, о которой есть две основные теории. Либо усиленная дофаминергическая передача (дофамин — это трансмиттер, который вовлечен в движения, в психотические реакции, в наркоманию). Одна из доминирующих теорий, что шизофрения связана с повышением дофамина. Вторая теория, тоже глобальная, — так называемая гипоглутаматергическая теория, то есть сниженная глутаматная трансмиссия. И то и другое мы, в частности, воспроизвели на животных, на мышах. В 2014 году я воспроизвел на крысах. Это новый подход, который стал доступен недавно, — воспроизведение на крысах. И, пытаясь изучать их поведение, пытаясь изучать их биохимию, какие-то молекулярные механизмы взаимодействия между различными белками, которые мы изучаем, мы думаем, что найдем что-то очень интересное, что приведет к развитию новых лекарственных средств.

Это воспроизведение так называемых гуманизированных мышей (humanized animals). В результате какого-то большого генетического скрининга, при каком-то заболевании, при шизофрении, найден ген дисбиндина. И вы просто берете эти данные, полученные на основании клинического анализа, и буквально дословно воспроизводите на мышах, теперь уже можно на крысах. И в результате мы провели такое исследование, которое совершенно неожиданно привело к предсказанию, какие лекарственные средства должны применяться при определенных формах депрессии.

Только в 2003 году был обнаружен фермент, который отвечает за синтез нейротрансмиттера серотонина в мозге. Всегда считалось, что серотонин синтезируется в мозге и на периферии одним и тем же ферментом — триптофангидроксилазой. Однако в 2003 году внезапно выяснилось, что у нее две изоформы: одна изоформа периферическая, другая центральная.

Мы были крайне заинтригованы этим открытием. Такие открытия должны были произойти в 1950–1960-х, а это случилось в 2003 году. И мы попытались выделить этот ген. Так получилось, что мы случайно выделили его из нескольких пород мышей. Мы неаккуратно отнеслись к этому вопросу, и в одной комнате оказалось несколько пород мышей. Мы выделили ДНК, перемешали, и вдруг обнаружили две изоформы. Опять-таки две изоформы, отличающиеся всего-навсего по одной аминокислоте. То есть мы обнаружили точечную мутацию. Естественно, это не могло быть от одной породы. Мы разобрались. Выяснилось, что разные породы мышей имеют разные варианты этого гена. Этот ген назвали триптофангидроксилаза-2, который отвечает за нейронали.

Оказалось, что синтез серотонина довольно четко контролируется в мозге этими изоформами данного фермента. В дальнейшем мы попытались найти что-то похожее на людях, на небольшой когорте больных с депрессией, которые не отвечали на классические антидепрессанты, в основном серотониновые. При депрессии основными лекарственными средствами являются ингибиторы обратного захвата серотонина — SSRIs, serotonin reuptake inhibitors. И эти больные не отвечали на лекарства, которые основывали свое действие на механизме серотонина.

У этих больных мы обнаружили мутацию, которая была очень похожая на ту, которую мы нашли на мышах. Причем синтез серотонина уменьшался на 80%. То есть функциональный эффект этой мутации был достаточно серьезный.

Мы воспроизвели это на мышах. Теперь мы взяли уже человеческую мутацию и в точности воспроизвели на мышах. И когда мы воспроизвели это на мышах, обнаружили те же самые 80% сниженного синтеза серотонина. И когда мы попробовали вводить им эти селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, антидепрессанты, такие как «Прозак» и некоторые другие, мы вдруг обнаружили (синтез серотонина и так уже на 80% снижен), что когда вы даете эти блокаторы обратного захвата, то снижение идет еще дальше. То есть им становилось еще хуже, поскольку серотонина становилось еще меньше, происходило так называемое опустошение, внутреннее опустошение нейронального серотонина, что, конечно же, не есть хорошо, и больным с этой мутацией не рекомендовалось бы давать такие ингибиторы.

Мы, в частности, запатентовали такую идею. В принципе было бы неплохо перед тем, как давать SSRIs больным депрессией — а депрессией страдают в мире до 30% населения в течение жизни, и SSRIs достаточно широко применяется во всем мире, особенно в Америке, — посмотреть, нет ли такой мутации у этих больных.

Мне кажется, это довольно хороший пример трансляционной медицины, когда мы начали с пациента, перешли на экспериментальное животное, на животном нашли механизм, который подсказывает нам, как лечить либо модулировать лечение, или, наоборот, предотвращает лечение определенными лекарствами. И теперь мы уже рассчитываем, что это в конце концов вернется в клинику.

Понятие трансляционности очень важно сегодня в биологии, в медицине в целом. Сегодня во всем мире открываются центры трансляционной биомедицины. И в какой-то степени, я предполагаю, так и должны вестись современные исследования: начинать с пациента и заканчивать пациентом. А уже мы, молекулярные биологи, физиологи, фармакологи, где-то посередине между этими двумя полюсами.

Дело в том, что, когда вы откроете любой справочник, любой учебник, вы прочитаете: «Это вещество является селективным активатором этого рецептора, гонистом» или «селективным антагонистом другого рецептора». Я как фармаколог вам скажу: это правда процентов на 85. Все равно найдется какая-то вторичная мишень, третичная мишень. То есть абсолютно селективных лекарственных средств в принципе не бывает. Всегда есть какие-то вторичные мишени и третичные.

У любого лекарственного средства есть терапевтическое действие и побочное действие. И часто бывает так, что нельзя понять, каким рецептором опосредуется терапевтическое действие либо побочный эффект. Как мы это проверяем? Допустим, мы изучаем какой-то рецептор. В частности, у нас есть такой замечательный рецептор — трансаминовый рецептор-1, которым мы недавно увлеклись. Буквально до последнего времени никаких лекарственных селективных веществ, воздействующих на эти рецепторы, не было, но в 2009 году «Хоффманн-Ля Рош» разработал первое вещество, которое должно воздействовать на эти соединения.

Как это проверить? Мы взяли нокаутных животных, лишенных этого гена, и проверили на них эффекты данного вещества. Мы увидели что-то, допустим, на контрольном животном. А на этом нокаутном животном эффекта нет. Тем самым мы доказали, что это вещество, совершенно новая химическая структура, правда вызывает определенный физиологический ответ, влияя именно на рецептор, который мы изучали.

Перспективы развития этого направления огромны, особенно в связи с тем, что в последние годы появились совершенно новые технологии создания трансгенных животных — CRISPR, TALEN-нуклеазы, ZFN-нуклеазы. Это новые технологии, которые позволяют теперь делать практически любые генетические манипуляции на любом виде животных. Теперь это могут быть и кролики, и крысы, и обезьяны, что невероятно повышает трансляционную значимость этих исследований. Очень многие аспекты, особенно психологические и когнитивные, невозможно изучать на мышах по понятным причинам. И, возможно, на более сложных организмах это будет развиваться очень быстро и интересно.

Автор: Рауль Гайнетдинов - M.D., Ph.D., профессор Сколковского института науки и технологий (Сколтех), ведущий исследователь Итальянского института технологий (Генуя, Италия), адъюнкт-профессор Университета Дьюка (США), директора Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского государственного университета

Источник: http://postnauka.ru/

 

Похожие статьи

Топ 10 за все время