Черепно-мозговая травма: современные модели

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) уже заслужила статус «новой эпидемии» в области здравоохранения: только в США ежегодно регистрируется около 2,5 миллионов случаев. Чаще всего эту травму можно получить в контактных видах спорта, автомобильных авариях, при домашнем насилии или во время военных действий. Повреждение центральной нервной системы при ЧМТ может инициировать запуск молекулярных каскадов на клеточном уровне, которые приводят к болезни Альцгеймера (БА), болезни Паркинсона (БП) и боковому амиотрофическому склерозу (БАС). Эффекты ЧМТ у разных пациентов могут варьироваться. Большинство людей восстанавливаются после легкой ЧМТ за короткое время, но повторные травмы могут повлечь за собой долгосрочные последствия, которые зависят от нескольких факторов: числа перенесенных ЧМТ, длительности отсрочки в обращении за медицинской помощью, возраста, пола и генетики индивидуума.

Обзор в журнале Frontiers in Neuroscience посвящен патологии черепно-мозговой травмы, обсуждению моделирования травм головы на млекопитающих, а также современным методам, где в качестве модели используются плодовые мушки Drosophila melanogaster.

Credit: Douglas M. Ruden et al / Frontiers in Neuroscience 2019

Патофизиология черепно-мозговой травмы

Повреждение головного мозга происходит в два этапа, что в конечном итоге приводит к поведенческим, физиологическим и когнитивным нарушениям.

Первичная патология возникает в результате механического повреждения и проявляется в виде нарушения мозгового кровотока и обмена веществ, усиления анаэробного гликолиза, накопления молочной кислоты, увеличения проницаемости мембран, образования отеков и так далее. Последующее вторичное повреждение, связанное с нарушением клеточных процессов, характеризуется деполяризацией клеточных мембран, чрезмерным выделением возбуждающих нейромедиаторов, активацией NMDAи потенциал-зависимых Ca^{2 +} и Na⁺  каналов. Устойчивый приток Ca^{2 +} приводит к накоплению его в митохондриях, что вызывает метаболическую дисфункцию и энергетическую недостаточность.

В рамках этого вторичного повреждения активируются несколько апоптотических (клеточное «самоубийство») и воспалительных путей, приводящих к сдвигу баланса от антиапоптотического к проапоптотическому механизму синтеза белка. Усиленное производство активных форм кислорода – основная причина вторичных повреждений при ЧМТ – приводит к дисфункции митохондрий, повреждая саму клетку. Кроме того, активация ряда ферментов (каспазы, транслоказы и эндонуклеазы) инициирует прогрессирующие структурные изменения клеточных мембран и ядерной ДНК.

Возникающая при ЧМТ гипоксия усиливает накопление бета-амилоида и увеличивает гиперфосфорилирование тау-белка, тем самым способствуя дегенерации нейронов и развитию БА. Так, у 30% пациентов, умерших в течение нескольких месяцев или лет после ЧМТ, в гистологических образцах мозга были обнаружены отложения бета-амилоида. Понимание работы генов, которые регулируют процессы, вызванные гипоксией, может помочь в разработке новых терапевтических стратегий для лечения последствий ЧМТ. Кроме того, изменения экспрессии генов сказываются на регуляции циркадного ритма, пространственной памяти, баланса и координации движений.

Сложный характер патологии ЧМТ, как с точки зрения тяжести и распределения повреждений мозга, так и реакции мозга на травмы, делает разработку методов лечения проблематичной. Моделирование таких травм на  мелких животных, включая грызунов, мух и рыбок данио-рерио, представляется полезным для первоначальной характеристики и идентификации потенциальных терапевтических целей, которые затем можно опробовать в более крупных моделях для успешного переноса на терапию человека.

Наиболее популярные модельные организмы для исследования ЧМТ – это грызуны, поскольку их мозг имеет большое сходство с человеческим, а с практической точки зрения их легче содержать, чем более крупных животных. В последнее время плодовые мушки и рыбки данио-рерио привлекают внимание исследователей ЧМТ в силу нескольких преимуществ, таких как доступность обширного генетического инструментария, короткая продолжительность жизни, низкая стоимость и стандартизированные измерения результатов. С помощью этих моделей можно детально изучить сложные патологические молекулярные каскады, которые возникают в мозге при ЧМТ.

Моделирование ЧМТ на грызунах

Credit: Douglas M. Ruden et al / Frontiers in Neuroscience 2019

Жидкостно-перкуссионная модель (fluid—percussion brain injury)

Это одна из наиболее часто используемых моделей прямого воздействия на головной мозг. Она признана достоверной для исследования морфологии, патофизиологии и фармакологии ЧМТ на многих видах животных. В этой модели травма наносится действием ударной силы пульсовой волны жидкости (20 мсек) на неповрежденную твердую мозговую оболочку через трепанационный дефект, что приводит к кратковременной деформации ткани мозга. Тяжесть и место повреждения в этой модели можно изменять, чтобы воспроизвести неврологические нарушения, связанные как с очаговым, так и с диффузным повреждением мозга у людей. На грызунах было показано, что эта модель вызывает когнитивный дефицит, который может длиться от нескольких недель до нескольких месяцев после травмы.

Контролируемое корковое повреждение (controlled cortical impact)

В такой модели травма обеспечивается воздействием на твердую мозговую оболочку механической силы воздуха или металлического поршня. Этот вариант моделирования позволяет более точно контролировать такие параметры, как скорость удара и глубина повреждения, что дает ей потенциальное преимущество перед жидкостно-перкуссионной моделью. Изменения в результате травмы (нарушения церебральной гемодинамики, повышение внутричерепного давления, повреждение аксонов, гистологические изменения и неврологические расстройства) связаны с глубиной повреждения и скоростью удара.

Модель падающего груза (weight drop-impact acceleration injury)

Очаговое воздействие на головной мозг животного создается свободно падающим на голову грузом, направляемым в трубке. Регулируя высоту падения и массу груза, можно воспроизводить травмы различной степени тяжести. В этой модели наблюдаются нарушения, характерные для ЧМТ у человека: когнитивные и поведенческие отклонения, активация микроглии и астроцитов, нейродегенеративные и морфологические изменения. Однако модель  имеет некоторые ограничения: например, непреднамеренные переломы черепа, риск повторной травмы при отскакивании бойка и неточность места воздействия.

Модель травмы, вызванной ударной волной (blast—relatedinjury)

Устройство для моделирования такой травмы состоит из трубки большого диаметра, на одном конце которой находится животное, а на другом конце происходит детонация небольшой порции взрывчатого вещества. Взрывная волна, распространяясь по трубке, воздействует на животное. Необходимость в такой модели возникла, когда обнаружилось, что многие военнослужащие, которые подвергались действию взрывной волны, имеют достаточно тяжелые ЧМТ при отсутствии внешних повреждений.

Модели ЧМТ на Drosophila melanogaster

Credit: Douglas M. Ruden et al / Frontiers in Neuroscience 2019

Метод ударной травмы (high-impact trauma device, Katzenberger et al., 2013)

Используемое в этом методе устройство состоит из пружины, одним концом прочно закрепленной на деревянной дощечке, к свободному концу которой прикрепляют пробирку. В пластиковый флакон помещается 50-60 плодовых мушек (без анестезии), которых плотно прижимают ко дну флакона ватной пробкой, затем флакон располагают над подушечкой из полиуретана/полистирола. Пружину отклоняют и отпускают, в результате чего флакон ударяется о подушку, а возникающее при этом ускорение и резкая остановка провоцируют не только травму головы, но и всего тела. Недостаток метода заключается в том, что положение и сила удара не одинаковы для всех мушек во флаконе, а значит, будут различаться степень и локализация повреждений. Непосредственным результатом такой травмы становится атаксия (нарушения движений), указывающая на первичные повреждения головного мозга. Подобные травмы встречаются у людей в результате ДТП и в контактном спорте.

Центрифугирование (BeadRuptor, Barekatetal., 2016)

Поместив плодовых мушек в аппарат для центрифугирования, можно  варьировать скорость и длительность вращения, что дает этому методу преимущество высокой воспроизводимости. Было показано, что при скорости вращения 5 м/с и выше почти 100% мушек погибали в течение 24 часов, тогда как вращение на скорости 2,1 м/с приводило к повреждениям, которые можно классифицировать как легкую ЧМТ. Характерные последствия включают сокращение продолжительности жизни, повышенную с возрастом чувствительность к травмам, активацию иммунной системы, повышенное фосфорилирование тау-белка и изменения в аутофагии. Кроме того, травма головного мозга у дрозофилы также влияет на поведение, связанное с циркадным ритмом, подобно тому, что обычно наблюдается при ЧМТ у млекопитающих.

Модель«закрытой головы»(closed head injury model, van Alphen et al., 2018)

Устройство наносит хорошо контролируемые непроникающие удары по голове мухи без анестезии. При прохождении тока через соленоид происходит выдвижение медного блока, который повреждает верхнюю часть головы мухи. В результате травмы наблюдается множество фенотипов ЧМТ, включая гибель нейронов, нарушение сна и моторного контроля и повышенную смертность.

Дальнейшие перспективы

Дрозофила оказалась полезной моделью для изучения не только нейродегенеративных заболеваний, но и нарушений, связанных с другими системами. Секвенирование, проведенное на мозге взрослых дрозофил, позволило представить атлас мозга, который охватывает все его клетки при норме, а также их изменения в течение жизни мухи (Davie et al., 2018). Подобные подходы могут быть адаптированы для выявления субпопуляций клеток, которые страдают в результате ЧМТ, что потенциально может способствовать разработке терапевтических целей для улучшения результатов лечения пациентов после травмы.

До сих пор ни одно из исследований не использовало в полной мере преимущества сложной генетики и короткой продолжительности жизни модели дрозофилы. Такие исследования могут включать, например, генетический скрининг мутаций, которые делают мух чувствительными или резистентными к ЧМТ, и, таким образом, представляют новые мишени для терапии.

Текст: Диана Галимова

Mammalian Models of Traumatic Brain Injury and a Place for Drosophila in TBI Research by Ekta J. Shah, Katherine Gurdziel, Douglas M. Ruden in Frontiers in Neuroscience. Published April 2019.

https://doi.org/10.3389/fnins.2019.00409