CC BY
20
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--
ТЕТРАПЕПТИД TSKY УСКОРЯЕТ ВОССТАНОВЛЕНИЕ МОРФОЛОГИИ И ФУНКЦИИ НЕЙРОНОВ
В УСЛОВИЯХ ДЕПРИВАЦИОННОЙ АМБЛИОПИИ
Михайлова Г.З., Безгина Е.Н., Штанчаев Р.Ш.
ФГБУНИнститут теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино, Российская
Федерация
Аннотация. Амблиопия является основной причиной потери монокулярного зрения у детей. Современные методики лечения снижают дефицит остроты зрения, однако у пациентов наблюдаются значительные нарушения зрительно-моторных реакций. Основной целью данной работы является поиск новых подходов для восстановления командных нейронов, принимающих зрительную информацию и преобразующих ее в двигательные акты. Известно, что определяющим фактором в процессе восстановления функционального состояния нейронов, является стабилизация их метаболического статуса, реорганизация нейрональных отростков и морфологии синапсов. Наши предварительные данные показывают, что тетрапептид Thr-Ser-Lys-Tyr (TSKY), выделенный из мозга зимоспящих животных, обладает нейропротекторными свойствами и влияет на дендритную организацию нейронов прудовика в клеточной культуре. В данной работе в качестве тест-объекта были использованы Маутнеровские нейроны (МН) рыб, у которых индуцировали состояние амблиопии с помощью обратимой монокулярной депривации. Нами проведен анализ трехмерной структуры МН с акцентом на объем стволовой части вентрального дендрита и его ветвлений. Показано, что монокулярная депривация приводит к усилению функциональной активности МН, подвергнутого монокулярной депривации. Более того, размер вентрального дендрита, который является приемником зрительной информации, снижается в несколько раз. Установлено, что пептид Thr-Ser-Lys-Tyr усиливает восстановление функциональной активности депривированных МН и морфологии дендрита. Мы полагаем, что монокулярная депривация вызывает повреждение возбуждающих серотонинергических синапсов вентрального дендрита. Наши результаты указывают на важную роль процессов торможения в сенсорных путях во время восстановления после амблиопии. Данная проблема представляет интерес для фундаментальной нейробиологии и медицины в связи с возможностью создания нового надежного подхода для восстановления нарушений зрительно-моторного поведения, сопутствующих депривационной амблиопии.
Ключевые слова: амблиопия, монокулярная депривация, зрительно-моторное поведение, Маутнеровские нейроны, 3D реконструкция, вентральный дендрит, пептидные регуляторы гипобиоза.
В офтальмологической практике хорошо известны случаи амблиопии - частичной или полной потери зрения, не связанной с какими-либо аномалиями самого глаза [1]. Это может произойти у человека, родившегося с опущением нижнего века, катарактой или другим, не исправленным вовремя дефектом [2]. Лишение зрительного опыта у детей приводит к последствиям, никогда не наблюдаемым у взрослых [3]. Современные методики лечения зачастую эффективно помогают снизить дефицит остроты зрения, однако большая часть пациентов страдает от нарушений окуломоторной системы и тонкой моторики. При моделировании депривационной амблиопии в лаборатории используют метод монокулярной депривации или обратимого прекращения притока визуальной информации в мозг. В моделях на животных было показано, что «отключение» зрения с одной стороны тела не приводит к каким-либо отклонениям в физиологии клеток сетчатки, однако наблюдаются серьезные дефекты в гистологической реорганизации дендритов и их ветвлений в латеральном коленчатом теле и в зрительной коре [4, 5]. Ранее нами было обнаружено, что пептид Thr-Ser-Lys-Tyr (TSKY), выделенный из мозга зимоспящих сусликов, обладает нейропротекторным влиянием на жизнеспособность и дендритную организацию как изолированных нейронов прудовика в клеточной культуре in vitro [6], так и Маутнеровских нейронов (МН) рыб in vivo [7]. В данной работе в качестве модели нами были выбраны МН, поскольку они относятся к числу немногочисленных объектов, на которых возможно тестирование потенциальных агентов, способных влиять на зрительно-моторное поведение рыб in vivo [8, 9] и на нейропластические перестройки дендритов МН [10, 11]. Нами применен метод монокулярной депривации, суть которого заключается в обратимом закрывании одного глаза рыб Carassius auratus непрозрачной и неинвазивной клеевой маской на срок 1-3 недели, достаточный для проявления эффектов депривации на моторное поведение рыбок. Заклеенная в ходе операции глазная маска прочно удерживается в течение 2 недель и более, оставаясь эластичной и не травмирующей глаз, который в большинстве случаев выглядит интактным после отклеивания маски. Пептид TSKY был выделен из мозга зимоспящих сусликов Spermophillus undulates, а затем синтезирован классическим методом [12]. Препарат в объеме 4-5 мкл раствора в дозе 5*10-6М вводили микрошприцем в область расположения МН - район проводящих путей продолговатого мозга под IV желудочком по стандартной методике [13]. Аппликации пептида проводили после отклеивания глазной маски 3 раза с интервалом в 10 дней. В качестве
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--
контроля использовали 0.6% раствор NaCl. Функциональную активность нейрона оценивали с помощью индекса латерализации [14]. Для осуществления гистологического исследования рыбок декапитировали и выделяли участок продолговатого мозга, содержащий МН, который фиксировали по стандартной методике [9]. Объемы дендритов МН определяли с помощью методики трехмерной реконструкции по серийным срезам [15]. Было показано, что монокулярная депривация рыб приводит к развитию предпочтения поворотов в сторону депривации, причем уже на первые сутки после операции. Индекс латерализации моторного поведения рыбок увеличивается и остается на высоком уровне через 18 дней после отклеивания глазной маски (n=10; p <0,05). Главными кандидатами на роль нейрональной мишени депривации в ЦНС служат МН, которые являются связующим звеном между зрительной информацией, поступающей в мозг, и спинальными мотонейронами, активирующими туловищную мускулатуру. После монокулярной депривации происходит перераспределение функциональной активности одного МН относительно его напарника вследствие резкого изменения зрительного притока к вентральным дендритам этих нейронов [16]. Таким образом, активность депривированного нейрона увеличивается в несколько раз и не снижается даже после отклейки глазной маски. Результаты измерения объемов, реконструированных МН, подтверждают это заключение. Очевидно, что объем стволовой части вентрального дендрита МН, временно переставшего принимать зрительную афферентацию вследствие операции, уменьшается в несколько раз (n=7; p <0,05). Эти данные согласуются с работами Chen с соавт., которые обнаружили ретракцию дендритов пирамидальных нейронов коры [5]. После аппликации пептида в область расположения МН значения объемов их вентральных дендритов не отличались от таковых у МН интактных животных. Качественный гистологический анализ контрольных препаратов показал, что мишенью депривации является уплотнение цитоскелета депривированного вентрального дендрита по сравнению с цитоскелетом дендрита его напарника, что согласуется с данными, полученными ранее [17]. Напротив, цитоплазма вентральных дендритов МН рыбок после аппликации пептида напоминают таковую у рыбок, подвергавшимся сеансам оптокинетической стимуляции [18] или воздействию аппликации дофамина [13]. Представленные данные свидетельствуют о защитном влиянии пептида на структуру вентральных дендритов МН в условиях in vivo. Механизмом действия пептида может быть блокирование дегенеративных изменений в серотонинергических синапсах нейрона. Так, ранее было показано, что мишенью действия необратимой монокулярной депривации являются синапсы, содержащие возбуждающий нейромедиатор серотонин [19]. Мы предполагаем, что пептид TSKY способен регулировать состояние серотонинергических синапсов депривированного нейрона, замедляя выход данных синапсов из состояния функциональной асинапсии, аналогично тому, как действует данный пептид на выход сусликов из состояния гибернации [20]. В целом, результаты работы открывают возможность использования пептида TSKY для разработки подходов к восстановлению сенсомоторной интеграции пациентов с депривационной амблиопией.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-04-01759а).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] D.E. Mitchell, K.R. Duffy, Ophthalmic and Physiological Optics, 2014, V.34, P. 129-145.
[2] E.E. Birch, Amblyopia and binocular vision, Prog. Retin. Eye Res., 2013, Vol. 33, P. 67-84.
[3] L. Kiorpes, D.C. Kiper, L.P. O'Keefe et al., J. Neurosci., 1998, Vol. 18, P. 6411-6424.
[4] T.N. Wiesel, D.H. Hubel, J. Neurophysiol., 1963, Vol.26, P. 978-993.
[5] J.L. Chen, W.C. Lin, J.W. Cha et al., Nat. Neuroscience, 2011, Vol. 14, No. 5, P. 587-594.
[6] L. I. Kramarova, N. A. Ivlicheva, R. Kh. Ziganshin et al., Living in a seasonal world, ch. 18, T. Ruf et al. (eds), 2012, P. 201 - 210.
[7] G.Z. Mikhailova, L.I. Kramarova, R.Kh. Ziganshin et al., Receptors and intracell signalization. Pushchino: Fixprint, 2017, Vol.1, P. 264-269.
[8] R.Sh. Shtanchayev, G.Z. Mikhailova, N.Y. Dektyareva, et al., Neurophysiology, 2007, Vol. 39, P. 118-129.
[9] D.A. Moshkov, R.Sh. Shtanchaev, I.B. Mikheeva, et al., J. Integr. Neurosci., 2013, Vol. 12, P. 17-34.
[10] R.Sh. Shtanchaev, G.Z. Mikhailova, N.Y. Dektyareva, et al., Neurosci Behav Phys, 2008, Vol. 38, No.9, P. 917921.
[11] D.A. Moshkov, G.Z. Mikhailova, E.E. Grigor'eva and R.Sh. Shtanchaev, J. Integr. Neurosci., 2009, Vol.8, P. 441451.
[12] R. H. Ziganshin, V. I. Svieryaev, Bioorg. Chem., 1994, Vol. 20, No.8, P. 899-918.
[13] Е. N. Bezgina, L.L. Pavlik, G.Z. Mikhailova, et al., Neurophysiology, 2006, Vol.38, No. 4, P.320-330.
[14] G.Z. Mikhailova, N.R. Tiras, V.D. Pavlik, et al., Neurophysiology, 2006, Vol. 38, P. 18-31.
[15] G.Z. Mikhailova, N.A. Kokanova, N.R. Tiras, D.A. Moshkov, Three-dimensional reconstruction and assessment
—--—
~ 201 ~
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--
of a neuron volume. Moscwa: Knizny dom «LIBROCOM», 2012, 80P.
[16] S.J. Zottoli, A.R. Hordes, D.S. Faber, Brain Res., 1987, Vol.401, No.1, P.113-121.
[17] I.B. Mikheeva, N.Yu. Tsaplina, E.E. Grigor'eva, et al., Neurosci. Behav. Physiol., 2012, Vol. 42, No. 7, P.759-763.
[18] N.Y. Tsaplina, G.Z. Mikhailova, R.Sh. Shtanchaev, et al., Neurosci. Behav. Physiol., 2010, Vol. 40, P. 767-771
[19] I.B. Mikheeva, E.E. Grigor'eva, G.Z. Mikhailova, et al., Neurosci. Behav. Physiol., 2014, Vol.44, P. 5-8.
[20] D.A. Ignat'ev, I.I. Mikhaleva, L.Yu. Sosulina, et al., J. of Evol. Biochem. and Physiol. 2001, Vol.37, No.3, P. 266272.
TETRAPEPTIDE TSKY PROMOTES RECOVERY OF NEURONAL MORPHOLOGY AND FUNCTION IN
EXPERIMENTAL AMBLYOPIA
Mikhailova G.Z., Bezgina E. N., Shtanchaev R. Sh.
Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russian
Federation
Annotation. Amblyopia is the most common cause of monocular visual loss in children. Current treatments are effective in reducing the visual acuity deficit but many amblyopic individuals are left with ocular motor abnormalities. The main aim of the work is the search of new approaches for recovery of the command neurons which control visually guided behavior and produce motor outputs. It is well known that changes in cytoarchitectonics of cells, as well as reorganization of neuritis, synaptic plasticity and morphology play a key role in stabilization of the neuronal functional activity. Our preliminary data has shown that the hibernation-related peptide Thr-Ser-Lys-Tyr acts as a neuroprotector in cultured pond snail neurons. Here the Mauthner cells (MC) from fish were taken as a test object. To mimic the conditions of amblyopia the fish were exposed to the monocular deprivation. We present the results of three dimensional analyses of MC with the special emphasis on volume of ventral dendrites. Our results show that monocular deprivation results in increasing the functional activity of MC subjected monocular deprivation. Moreover, the ventral dendrite of deprived MC that receives visual input decreases several times. We show that peptide Thr-Ser-Lys-Tyr dramatically enhances recovery the functional activity of deprived neurons and their dendrite morphology. We suppose that monocular deprivation induces injury of excitatory serotonergic axo-axonal synapses. The data indicate the important role of inhibitory processes in the sensory pathways during recovery from monocular deprivation. The problem indicated in this work has a great interest for fundamental neurobiology and medicine in connection with the establishment of new reliable approaches improving the deficient ocular motor function and fine motor skills that accompany amblyopia.
Key words: amblyopia, monocular deprivation, visually guided behavior, Mauthner cells, 3D reconstruction, ventral dendrite, hibernation-related peptide.
