Лаборатория клеточной физиологии и патологии

Механизм нейродегенерации: древняя молекула как необходимый элемент физиологии и патологии клеток мозга

 

Актуальность проекта

Обеспечение функционирования системы здравоохранения является одним из приоритетов государственной политики РФ (по прогнозам, объем расходов федерального бюджета на здравоохранение в 2024 г. составит 1,62 трлн руб. (4,6% от всего объема планируемых расходов). В рамках нацпроекта «Здравоохранение» затраты составят 289,9 млрд руб., а в рамках госпрограммы «Развитие здравоохранения» в 2024-2026 гг. – не менее 3,99 трлн руб.). Необходимо отметить, что нейродегенеративные заболевания формируют серьезную нагрузку и на другие отрасли социальной сферы, связанные с поддержкой людей, затронутых данными патологиями. В связи с этим планируемые в рамках проекта исследования, в ходе которых будут не только получены новые фундаментальные знания о механизмах нейродегенераций, но и получит развитие понимание природных механизмов нейропротекции, а также будут обнаружены перспективные фармакологические мишени, могут сформировать основу для разработки и внедрения отечественных препаратов на основе физиологически активных веществ для коррекции состояния или полного восстановления функций головного мозга пациентов с нейродегенеративными заболеваниями, большинство из которых неизлечимы на сегодняшний день.

Планируемое к реализации исследование соответствует приоритетным направлениям проектов технологического суверенитета и проектов структурной адаптации экономики Российской Федерации, утвержденным Постановлением Правительства РФ № 603 от 15.04.2023 г., а именно направлению «медицинская промышленность» в части производства материалов, перевязочных и аналогичных изделий, в том числе покрытых лекарственными средствами. Использование уникального потенциала полифосфата может обеспечить создание материалов с высокой эффективностью регенерации тканей, сокращающей как время восстановления, так и страдания пациентов, а также позволяющей избежать негативных побочных эффектов.

 

Цель проекта

Изучение патогенеза и механизма гибели нейронов в основных нейродегенеративных заболеваниях, роли неорганического полифосфата в нейрональной и астроцитарной сигнализации, идентификация вовлеченности полифосфата в молекулярные и клеточные механизмы патологии при нейродегенеративных заболеваниях, а также исследование потенциала его модуляции и применения в фармацевтике и биоинженерии.

 

Задачи проекта

  • 2024 год
    1. Определение причин изменения уровня полифосфата в наследственных формах, а также в токсических моделях нейродегенеративных заболеваний.
    2. Разработка метода оценки степени вклада флавинадениндинуклеотида (ФАД++), входящего в состав различных флавопротеинов, в общий пул автофлуоресценции ФАД++ in vitro (на интактных митохондриях, здоровых фибробластах, смешанной нейрон-глиальной культуре и на клеточных культурах – моделях нейродегенеративных заболеваний) с использованием митохондриальных субстратов, ингибиторов комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий, а также ингибиторов флавиновых ферментов (в частности, МАО).
  • 2025 год
    1. Обнаружение, исследование локализации и количественный анализ специфических ферментов, обеспечивающих синтез АТФ за счет полифосфата.
    2. Исследование условий активации, а также особенностей ферментативной кинетики полифосфат-зависимого синтеза АТФ на уровне изолированных ферментов, интактных митохондрий, а также в митохондрий пермеабилизованных и интактных клеток.
    3. Разработка метода оценки степени вклада ФАД++, входящего в состав различных флавопротеинов, в общий пул автофлуоресценции ФАД++ при исследовании острых срезов головного мозга здоровых животных и животных токсических моделей нейродегенеративных заболеваний (в частности, болезни Паркинсона ) с использованием митохондриальных субстратов, ингибиторов комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий, а также ингибиторов флавиновых ферментов (в частности, МАО).
  • 2026 год
    1. Изучение эффектов внеклеточного и внутриклеточного полифосфата на стимулированный дофамином, глутаматом и другими нейромедиаторами сигнал в контрольных клетках и клеточных моделях нейродегенеративных заболеваний.
    2. Исследование роли полифосфата в открытии mPTP в клеточных моделях нейродегенеративных заболеваний.
    3. Разработка метода дифференциации сигнала митохондриального ФАД++ между возможными источниками при реализации исследований in vivo без применения субстратов и ингибиторов.
  • 2027 год
    1. Определение потенциального взаимодействия полифосфата и α-синуклеина, β-амилоида или белка тау при нейродегенеративных заболеваниях.
    2. Установление возможного защитного эффекта модуляции уровня полифосфата против нейродегенерации при нейродегенеративных заболеваниях.
  • 2028 год
    1. Изучение роли полифосфат-зависимого синтеза АТФ при реализации энергопотребляющих процессов, а также в условиях гипоксии/аноксии.
    2. Исследование перспектив применения полифосфата в составе ранозаживляющих изделий, а также в качестве основы или компонента композиционного материала для 3D-печати или 3D-биопечати в решении задач биоинженерии тканей и органов.

 

Ожидаемые результаты реализации проекта

Научные результаты проекта

Реализуемый даст ответ на несколько фундаментальных научных вопросов. Планируемые исследования помогут идентифицировать внутриклеточную локализацию полифосфата в здоровых нейронах и астроцитах, а также выявить, как эта компартментализация меняется при нейродегенеративных заболеваниях. Неорганический полифосфат является глиотрансмиттером, но его влияние на нейроны до сих пор недооценено. Поэтому результаты этого проекта помогут определить роль полифосфата в нейрональной трансдукции сигнала и дадут представление о том, как полифосфат взаимодействуют с сигналами, вызванными другими нейромедиаторами, в частности глутаматом и дофамином. Все эти базовые вопросы важны для понимания клеточных механизмов нейродегенерации. Также будет выполнена оценка роли неорганического полифосфата в агрегации специфических белков (в частности, α-синуклеина), которые играют важную роль в БП и других нейродегенеративных расстройствах. Результаты этого проекта помогут выяснить, могут ли изменения внутриклеточной концентрации полифосфата защищать мозг от потери нейрональных клеток при патологиях.

Планируемые в рамках проекта исследования по выявлению регуляторов уровня полифосфата (как участвующих в синтезе, так и потребляющих полимер) в клетках головного мозга помогут выявить терапевтические мишени, воздействие на которые физиологически активными веществами может обеспечить уровень нейропротекции, достаточный для предотвращения, замедления или полной остановки отдельных нейродегенеративных процессов.

Кроме этого, в рамках проекта получат развитие предположения о перспективах применения полифосфата в фармацевтике и биоинженерии. В частности, будут выполнены исследования в области создания полифосфат-содержащих перевязочных изделий, увеличенная эффективность которых может быть обусловлена обеспечением регенеративных процессов энергией, выделяющейся при гидролизе фосфорноангидридных связей в структуре полимера. Выявленные оптимальные параметры (степень полимеризации полифосфата, вид противоиона, фазовое состояние частиц полимера), а также технология изготовления перевязочных изделий будут защищены патентами РФ на изобретения. В ходе проекта также будут исследованы перспективы применения полифосфата в качестве материала (основного или в сочетании в другими высокомолекулярными соединениями) для 3D-печати матриц для тканевой инженерии или 3D-биопечати. Благодаря постепенной биодеструкции полифосфат позволит создать временную основу для имплантирования, которая обеспечит высокий уровень скорости пролиферации и дифференцировки клеток с последующим полным замещением на полноценно функционирующую ткань.

Развитие материально-технической базы лаборатории и повышение квалификации сотрудников

В рамках выполнения проекта планируется решить ряд организационных и инфраструктурных задач, связанных с привлечением талантливой молодежи к реализации передовых исследований, созданием условий для проведения научных работ, включая развитие имеющейся материальной технической базы. С целью существенного развития в направлении обеспечения работ in vivo в соответствии с существующими нормами российского законодательства, а также подходами, принятыми в мировой исследовательской практике, планируется создание блока помещений для временной передержки мелких лабораторных животных, не относящихся к категории свободных от специфической микрофлоры (категории SPF). Для размещения микроскопического, аналитического, визуализационного и другого лабораторного оборудования будут выделены и подготовлены дополнительные помещения, отвечающие всем необходимым правилам техники безопасности, обустройства и эксплуатации. Для выполнения поставленных целей планируется приобретение следующего научного оборудования:

- времяразрешенный конфокальный флуоресцентный микроскоп;

- комплекс оборудования для выделения отдельных клеток и анализа уровня транскрипции целевых генов методом количественной ПЦР;

- мультимодальная спектральная установка ОКТ второго поколения;

- система для лазерной спекл-контрастной и гиперспектральной визуализации;

- ультразвуковой высокочастотный допплерограф;

- оборудование для 3D-печати структур для культивирования на их поверхности клеток и 3D-биопечати с использованием модифицированных биочернил.

Также в ходе реализации проекта предусмотрено дополнительное профессиональное образование членов коллектива проекта в форме стажировок и обучения на программах ДПО и посещения методических семинаров. Эти мероприятия направлены на формирование новых профессиональных компетенций с целью обеспечения соответствия квалификации команды проекта меняющимся условиям профессиональной деятельности.

 

 

Мы всегда рады предложениям о взаимовыгодном сотрудничестве!