Нейронауки 2018: что мы умеем

Надеемся, первая часть нашего большого нейротопа вас не испугала, поэтому приступим ко второй, в которой расскажем о том, чему мы (в смысле, нейроученые и неврологи) за этот год научились. Здесь и наиболее перспективные методы исследования в нейробиологии, и новые устройства, а также апгрейд уже существующих (один ПЭТ всего тела чего стоит), и достижения неврологии, где бок о бок идут первые клинические испытания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток при болезни Паркинсона и инновационное лечение болезни Гентингтона. Для удобства все темы также поделены по разделам.

Клиническая нейронаука

Гибнут нейроны? Из кожи сделают новые!

Дофаминергические нейроны, полученные из iPSC, в культуре. Credit: Dr. Regis Grailhe, Nasia Antoniou, Dr. Rebecca Matsas

И, конечно же, начнем мы с болезни Паркинсона и ее нового способа лечения, об успешном завершении «доклиники» которого мы рассказывали осенью позапрошлого года. А в 2018 году, как и обещали ученые из Центра по исследованию и применению iPS-клеток Университета Киото, начались клинические испытания. Первый пациент с «Паркинсоном» получил 2,4 миллиона новых дофаминергических нейронов черной субстанции, полученных из фибробластов здоровых людей, в октябре, а в ноябре по этому поводу вышло сообщение в журнале Nature о том, что пока с больным все нормально.

Первым экспериментальным пациентом стал мужчина 50-ти лет, который страдает заболеванием уже около семи лет. Если за полгода с ним не произойдет ничего плохого (в первую очередь, боятся злокачественной перестройки), то пациент получит вторую «порцию клеток». А всего планируют пересадить новые нервные клетки семи человекам, завершив исследование безопасности и эффективности технологии к 2020 году, чтобы уже к 2023 году она вышла «в массы».

«Шпильки» против болезни Гентингтона

Весьма оптимистичные новости для людей, которые стали несчастливыми обладателями мутации в гене белка гентингтина. Многочисленные повторы в нем нуклеотидной последовательности «цитозин-аденин-гуанин» приводят к тому, что к зрелому возрасту у человека начинаются двигательные и психические нарушения, и самое неприятное – от этого нет никакого лечения. Однако, благодаря разработке международной группы ученых, у таких людей появилась надежда.

Исследователи создали небольшие последовательности нуклеотидов против матричной РНК нужного гена, которые за счет характерной структуры назвали РНК-«шпильками». Эти «шпильки» садятся на матричную РНК и разрушают ее, не давая собрать «плохой» белок, который в итоге не образуется, не накапливается и не приводит к разрушительным для нейронов последствиям. И уже довольно скоро должны начаться первые клинические испытания.

Встал и пошел

Credit: Fabien B. Wagner et al / Nature

Представьте, что человек молод, живет счастливой и полноценной жизнью, а потом один переломный момент, одна травма – и он уже инвалид на всю жизнь, навсегда прикованный к инвалидному креслу. Еще десяток лет назад у таких людей не было шансов, а сейчас швейцарские врачи и исследователи создали методику, благодаря которой такие пациенты снова могут научиться управлять своими конечностями.

Система STIMO (STImulation Movement Overground) построена на принципе точечной электрической стимуляции спинного мозга в сочетании с подвесными конструкциями, поддерживающими вес пациента. Сначала люди делают свои первые шаги при помощи электрических стимулов, учась координировать с ними свои побуждения, а затем пытаются ходить уже без дополнительного воздействия (активные тренировки заново перезаписывают в мозге двигательный паттерн). Техника помогает «встать на ноги» уже за полгода, а всего в клиническом испытании сейчас 7 пациентов с давностью травмы до семи лет.

Мигрень под строгим контролем

Мигрень можно назвать настоящим бичом современности. Да, она не приводит к смерти и разрушению личности, как болезни Альцгеймера или Паркинсона, но жутко портит качество жизни. И в 2018 году появилось целых два новых препарата, одобренных для клинического применения (правда, увы, не в России), которые действуют на ее патофизиологические звенья и хорошо помогают с ней справляться.

Первым в мае прошлого года одобрили эренумаб (он же Аймовиг). Крупное клиническое исследование STRIVE показало, что после шести месяцев приема эренумаба количество дней с мигренью в месяц у испытуемых сократилось наполовину. А уже в ноябре FDA разрешила выйти в «клинику» фреманезумабу (он же Ajovy), в испытаниях которого пациенты получили сходное с эренумабом облегчение и сокращение эпизодов головных болей в месяц также наполовину.

«Умножители» боли и их «выключатели»

Credit: Yuanyuan Liu et al / Nature

Нейропатические боли, которые возникают «на ровном месте» от совершенно обычных ощущений типа прикосновения одежды, крайне трудно лечатся. Исследователям удалось проникнуть чуть глубже в процесс передачи сенсорных стимулов в мозг, и они теперь знают, что в сенсорной коре, которая эту информацию обрабатывает, есть специальные нейроны, которые умножают чувство боли и передают его обратно в спинной мозг, дабы болевой стимул удалить (убери руку от кипящего чайника, дурачок!).

Однако, пути передачи прикосновений и болевые пути в спинном мозге находятся рядом, и если с тормозной «серединой» что-то происходит, то касания начинают автоматически трансформироваться в боли, чему нейроны-«умножители» в коре способствуют. Но если их «отключить» (например, с помощью транскраниальной магнитной стимуляции), то пациенту (пока лишь мышам) становится гораздо лучше.

Вакцина против глиобластомы

Увы, абсолютно действенной терапии против этой злокачественной глиальной опухоли мозга еще нет, а эффективность любого лечебного метода тут определяется тем, насколько дольше стали жить пациенты с момента постановки диагноза (измеряется в месяцах). Тем не менее попытки хоть немного помочь предпринимаются, и в их числе – вакцина DCVax-L, разработанная учеными из Университета Сент-Луиса (США).

Вакцина строго персонифицирована и основана на извлеченных дендритных клетках пациента, которыми действуют на полученные при хирургическом лечении ткани глиобластомы. Клетки поглощают антигены опухоли, затем их снова вводят больному, чьи лимфоциты распознают антиген с поверхности клеток и атакуют оставшиеся онкоклетки в организме, имеющие тот же самый антиген. Завершается уже третья фаза клинических испытаний, и с помощью DCVax-L удалось продлить жизнь больных людей в среднем с 18 до 23 месяцев, хотя больше трети получавших вакцину прожили 40,5 месяцев.

Разделяй и понимай: шесть этапов БАС

В Lancet Neurology осенью вышла работа крупной международной группы экспертов, которые объединили все имеющиеся данные о боковом амитрофическом склерозе и выпустили большой труд, согласно которому течение патологии представляет собой шестиэтапный процесс.

Такая модель развития БАС приближает ученых к его разгадке и очень похожа на модели карциномы, в которых некоторая подгруппа клеток в результате соматических мутаций приобретает свойства предраковых (один из этапов). Многоступенчатая модель БАС соответствует предположению о том, что патогенез заболевания носит характер абиотрофии, а следовательно на определенном этапе есть некий токсин, который разрушает двигательные нейроны. Возможно, эти данные помогут найти эффективное лечение патологии.

Тем не менее, на лабораторных животных постоянно испытывают новые лекарства от БАС, и одно из них (кстати, тоже основанное на пересадке специально спроектированных нервных клеток прямо в мозг взамен умерших) показало себя с хорошей стороны.

Трансплантированные нервные клетки-предшественники. Credit: Cedars-Sinai Board of Governors Regenerative Medicine Institute

Перепишите мне память

По сути исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) смогли раскрыть нейробиологические основы когнитивно-поведенческой терапии, которая уже десятилетиями используется для того, чтобы сгладить последствия травмирующих психику происшествий.

Сначала они проверили на мышах, какая энграмма (последовательность нейронов гиппокампа, в которой кодируется воспоминание) активируется при стрессе (мышь били током, потом помещали в тот же бокс), а затем с помощью хемогенетики отключали ее, после чего мыши бояться бокса, где ранее находились в стрессе, переставали. Возможно, в будущем эти методы станут доступными и для людей, тем более, что для этого в голове сверлить ничего не надо.

Стволовые клетки помогут восстановить спинной мозг

И снова речь о спинальной травме, которая, увы, лишает человека нормальной жизни. Ее уже несколько лет пытаются лечить разными способами, а с 2013 года существует разрешение FDA на терапию стволовыми клетками. Весной 2018 года международная группа исследователей провела первую фазу клинических испытаний травмы спинного мозга стволовыми клетками-предшественниками нейронов линии NSI-566.

Перед учеными стояла задача определить, безопасна ли методика для людей, поэтому участвовали всего 4 человека с полной травмой (по классификации ASIA/ISNCSCI), вводились небольшие дозы клеток (1.2 миллиона), и клинического эффекта не ждали. Инъекции оказались безопасными, а у двух участников даже выявили улучшение по шкале ASIA/ISNCSCI на 1-2 балла.

Некоторые успехи на этом поприще есть и у наших соотечественников из Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета. Они показали, что мезенхимные стволовые клетки, выделенные из жировой ткани, стимулируют регенерацию и восстанавливают проведение сигналов между нервными клетками спинного мозга. Причем, для этого подходит даже не инъекция клеток в место повреждения, а простая их аппликация в составе фибринового матрикса.

Инструменты и методы

ПЭТ-КТ сканер всего тела

О проекте этого аппарата мы рассказывали два года назад, но, честно говоря, не особо верили в том, что задумка станет реальностью. И таки она стала! В ноябре на конференции Северо-Американского радиологического общества в Чикаго сотрудники Университета Калифорнии в Дэвисе представили первый прототип сканера EXPLORER, который способен снизить лучевую нагрузку на пациента при проведении ПЭТ-КТ (совмещающем позитронно-эмиссионную и компьютерную томографию) в 40 раз и добиться 40-кратного ускорения всей процедуры.

Достижение таких параметров стало возможным за счет увеличения числа детекторов, которых по сравнению с обычным ПЭТ-КТ, присутствующих в клиниках, в десять раз больше, и размещены они вдоль всего тела. Помимо удешевления процедуры сканер сможет «проявить» себя и в науке – в первую очередь, при подготовке новых фармпрепаратов для изучения их свойств.

Масштабирование поможет добраться до истины

Исследователю всегда хочется заглянуть вглубь предмета изучения как можно глубже, и наука предоставляет ему для этого все новые возможности. Например, ученые из Массачусетского технологического института (MIT) создалитехнологию, позволяющую увеличивать объекты на обычном флуоресцентном микроскопе в 100 раз, при этом сохраняя целостность клеток и тканей.

Для этого они разработали технику экспансионной микроскопии (ExM), в которой для создания микропрепарата используется полимерная матрица, способная равномерно распределяться по всему объекту и линейно расширяться в трехмерном пространстве при погружении в воду до 4,5 раз.

Схема эксперимента. Клетки помещаются в гелевый раствор, который застывает, пропитывая их, а затем вся субстанция помещается в воду, где происходит ее расширение. Credit: Shoh M. Asano et al. / Current Protocols in Cell Biology 2018

Ультразвук – новое слово в экспериментальной нейровизуализации

Оказалось, что ультразвук прекрасно подходит для того, чтобы с большой точностью улавливать небольшие колебания в активности работающего мозга во время выполнения каких-либо задач. Технику создалиученые Швейцарии и Бельгии, которые стремились найти такой метод записи активности всего мозга (сразу), который бы позволял в ходе эксперимента исследовать разные поведенческие акты, был бы менее дорогостоящим, имел большее разрешение и минимум ошибок.

Конечно, для людей подобная техника не подходит из-за того, что нужно «прорубать окошко» в черепе. Но вот для животных – в самый раз. Ученым даже удалось досконально изучить оптокинетический рефлекс у крыс и определить ключевую роль в нем двух ядер таламуса. Важное приобретение для нейробиологов.

Credit: Emilie Macé et al. / Neuron 2018

Мозг в красном цвете

«Цвет настроения красный», вероятно, сопровождал нейробиологов лаборатории Джона Б. Пирса из Йельской школы медицины и Стэнфордского университета, когда они занимались разработкой метода визуализациина основании флюоресцентных белков, которые «подсвечивают» активные нейроны красным вместо привычного зеленого.

В методе используется белок VARNAM (Voltage-Activated Red Neuronal Activity Monitor) – один из пептидов, называемых генетически закодированными индикаторами напряжения (GEVI), которые меняют интенсивность флуоресценции при прохождении электрического импульса через нейрон. Он работает одинаково хорошо как in vitro, так и in vivo, даже может при желании визуализировать активность в зеленом, если красный начинает «резать глаз».

Увидеть ацетилхолин воочию

Это главный нейромедиатор периферической нервной системы, передающий сигнал от нейронов к мышцам, но вот увидеть его крайне сложно, поэтому подробности холинергической передачи в синапсе оставались туманными. Задачу смогли решить китайские ученые, которым удалось создать флуоресцентные белки-сенсоры ацетилхолина на основе рецепторов, связанных с G-белками. Особенности их кинетики, а также чувствительность, специфичность и стабильность позволяют использовать их в наблюдениях за молекулами ацетилхолина как in vitro, так и in vivo.

Синапс в «объятиях» астроцита

Согласно концепции «трехчастного» синапса (в основном с нейромедиатором глутаматом) к пресинаптической и постсинаптической мембране присоединяется еще и астроцит, который становится чуть ли не главным регулятором ответа, контролируя количество нейромедиатора в синаптической щели. Увидеть это тоже сложно, но на помощь нейробиологам снова пришли исследователи, на этот раз из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA), которые создали метод визуализации, позволяющий наблюдать взаимодействие астроцитов с нервными клетками в мозге мыши в режиме реального времени.

Техника микроскопии основана на эффекте фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET-эффект), с помощью которого преобразованный свет используется для измерения малых расстояний между молекулами или частями клеток.

Принцип использованного исследователями метода: когда астроцит подходит близко к синаптической щели и «обхватывает» ее, возникает FRET-эффект между люминофором, «прикрепленным» к пресинаптической терминали, и люминофором на мембране астроцита. Credit: Khakh et. al

Нейросети на благо медицины

Ну и, наконец, мы подошли к финальной части нейротопа, в которую мы определили несколько достижений в области искусственного интеллекта.

FDA одобрило систему искусственного интеллекта для диагностики кровотечений в мозге. Система Accipio Ix от компании MaxQ AI способна определять внуричерепное и внутримозговое кровоизлияния по компьютерной томографии без контраста.

Нейросеть сможет помочь и анестезиологам. Ученые из Вашингтонского университета разработалисистему Prescience, которая, используя все данные о пациенте (в первую очередь – возраст, рост и вес), сама способна оценить риск возникновения гипоксемии (грозного осложнения анестезии, связанного с недостатком в крови кислорода) еще до начала операции, а затем корректировать этот риск в режиме онлайн во время хирургического вмешательства.

В психиатрии искусственный интеллект вполне способен стать верным помощником врачу в разделении пациентов с депрессией и биполярным расстройством, в клинике которого также имеются стадии депрессии. На основе анализа фМРТ пациентов нейросеть способна провести дифференциальную диагностику и назначить предполагаемый план терапии. Работает такой подход с 90-процентной точностью.

Подготовила Анна Хоружая