Помнить всё

Физики-ядерщики, биологи и химики изучают тайны мозга

Согласно статистике ВОЗ, в мире около 50 млн человек страдают деменцией. Самая распространенная ее причина — болезнь Альцгеймера, на которую приходится больше 60% всех случаев деменции. Почему и как именно возникает это заболевание, какие биологические и химические процессы лежат в его основе, ученые до сих пор точно не знают. Есть несколько гипотез происхождения болезни Альцгеймера, одна из них — амилоидная — доминирует уже более четверти века. Для исследований в рамках этой гипотезы российские ученые применяют в том числе методы нейтронной физики.

Защитить мембрану, спасти клетку

Суть амилоидной гипотезы в том, что из-за расщепления молекулы белка предшественника бета-амилоида (ПБА) образуются одиночные молекулы пептида бета-амилоида. Они собираются в жесткие и нерастворимые фибриллы — амилоидные бляшки. Обычно ПБА всегда находится в мембранах клеток, в том числе нейронов. Его основная функция неизвестна, но некоторые исследования показали, что ПБА участвует в образовании синапсов и транспорте железа через мембрану.

С развитием современных экспериментальных методик, усовершенствованием источников нейтронного и рентгеновского излучения, разработкой дополнительных эффективных инструментов детектирования и увеличением мощностей вычислительных кластеров начался новый виток в изучении болезни Альцгеймера. Несколько лет назад начали публиковаться научные статьи, показывающие, что в мозге пациентов с этой болезнью происходят некие процессы, вызывающие образование амилоидных фибрилл. Сами фибриллы при этом — лишь индикатор заболевания, но не его причина. К тому же оказалось, что помимо фибрилл есть и одиночные бета-амилоиды, которые, вероятно, взаимодействуют с мембранами клеток и разрушают их. По предположениям ученых, в то время как фибриллы свободно перемещаются по межклеточному пространству и не причиняют организму вреда, одиночные пептиды встраиваются в клеточную мембрану, остаются в ней на какое-то время, а затем выходят наружу, разрывая мембрану и уничтожая клетку.

«Выход пептида из мембраны — это как раз то, чего нужно избежать, если мы хотим предотвратить болезнь Альцгеймера. Нужно придумать, как его оставить в мембране, либо как сделать так, чтобы он вообще не возникал. Моя научная группа и я сам довольно давно занимаемся изучением мембран, а в рамках этой работы начали исследовать, как взаимодействие бета-амилоида с мембраной зависит от ее свойств», — рассказывает заместитель директора Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Норберт Кучерка.

Научная группа ОИЯИ под руководством Кучерки создала пузырьки, имитирующие клетку и мембрану, — везикулы. К ним в присутствии ионов добавляли холестерин, мелатонин и пептид бета-амилоид, а затем изучали влияние этих веществ на толщину, площадь поверхности, уровень гидратации, эластичность и другие свойства мембраны и липидов в ее составе. Ученые использовали технологии малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей и неупругого рассеяния нейтронов. Эти методы позволяют исследовать характеристики биологических объектов, не разрушая их. Эксперименты проводили на установках ЮМО и НЕРА реактора ИБР-2 в ОИЯИ и установке Rigaku в МФТИ.

Целью исследования было выяснить, как отреагирует клетка на присутствие бета-амилоида и других веществ, которые всегда наличествуют в организме человека: холестерина и мелатонина. Холестерин делает мембрану более жесткой, а мелатонин наоборот — более текучей. В результате ученые определили, что при добавлении пептидов везикулы меняли свою форму, сплющивались и становились похожи на диски. Это свидетельствует о том, что мембрана действительно разрывается — такое изменение формы везикул может произойти только из-за разрушения мембраны. И происходит это только при добавлении бета-амилоида. Выяснилось также, что на встраивание пептидов в мембрану влияет ее вязкость — при добавлении мелатонина влияние пептида гораздо ниже, чем без него или при добавлении холестерина. Исследователи предполагают, что мелатонин может защищать клетки и предотвращать болезнь Альцгеймера, однако эта гипотеза требует дальнейших исследований. Возможно, использование рассеяния нейтронов в более пристальном рассмотрении взаимодействия клеточной мембраны и пептида бета-амилоида станет частью окончательного решения в победе над болезнью Альцгеймера.

Поможет тепловой шок

Исследованием деменции занимается также коллектив ученых из УрФУ, Института цитологии РАН и Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН. Специалисты синтезировали химические соединения, способные остановить дегенерацию нейронов при болезни Альцгеймера, Паркинсона и других тяжелых патологиях головного мозга, — новые молекулы индолил- и пирролилазинов, которые входят в состав противовоспалительных лекарств.

«Индолил-содержащие вещества сегодня активно используются в качестве компонентов для противовоспалительных, противоопухолевых и противогрибковых препаратов. Эти соединения мы протестировали на нашей клеточной модели, то есть на клетках мозга человека с симптомами болезни Альцгеймера. Избранные нами вещества продемонстрировали ярко выраженный нейропротекторный эффект», — говорит младший научный сотрудник отдела молекулярных и клеточных взаимодействий ИНЦ РАН Елизавета Дутышева.

Новые соединения запускают внутриклеточные механизмы борьбы с амилоидными структурами, активируя синтез особых белков теплового шока и вызывая их накопление в клетке. Оказалось, что эти соединения повышают выживаемость нейрональных клеток. Наиболее эффективное соединение — пирролилазин — также протестировали на крысах с вторичными повреждениями после черепно-мозговых травм. По словам ученых, это позволило животным избежать двигательных нарушений и дегенерации нейронов гиппокампа. Сейчас ученые готовятся к доклиническим испытаниям. «Изученные соединения в дальнейшем могут стать основой препарата для терапии болезни Альцгеймера, причем не только на начальной, но и на запущенной стадиях», — поясняет Елизавета Дутышева.

Сколько нужно цинка

Российские исследователи из Института молекулярной биологии им. В. А.Энгельгардта РАН выяснили, что большое количество цинка в организме способно замедлить прогрессирование болезни Альцгеймера. Исследования структуры бета-амилоидов показали, что в них содержатся ионы двухвалентных металлов, в частности цинка. Они помогают создавать связи между отдельными молекулами неправильно свернутых белков, что ускоряет образование скоплений. Выяснилось, что при воздействии на клетки большим количеством цинка процесс образования амилоидов практически полностью замедлялся. Однако вопрос в дозировках.

В своем исследовании ученые использовали технологии компьютерного моделирования и сымитировали три случая: когда количество ионов цинка не превышало число молекул амилоидов, когда металл находился в избытке и когда его совсем не было. Что выяснилось: если ионов цинка было в несколько раз меньше, чем молекул бета-амилоидов, скопления бета-амилоидов образовывались очень быстро. А вот когда ионов металла было в избытке, реакция практически полностью прекращалась — цинк присоединялся ко всем участкам бета-амилоидов, занимал все доступные «посадочные места», и связи между молекулами не образовывались.

«Наша работа показала, что роль цинка в развитии болезни Альцгеймера противоречива. Исследование поможет в будущем разработать лекарства нового типа для борьбы с ней. В дальнейшем мы планируем изучить роль других металлов, входящих в состав амилоидов, в процессе образования нейротоксичных агрегатов», — говорит Алексей Аджубей, ведущий научный сотрудник Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН.