Основные инъекционные модели болезни Альцгеймера

БА — нейродегенеративное заболевание, которое приводит к нарушению деятельности отделов головного мозга, связанных с когнитивными функциями. В связи с этим может быть использован ряд стратегий для моделирования БА in vivo в зависимости от конечной цели, например: исследования природы нарушения того или иного вида памяти или механизмов, лежащих в основе гибели нейронов.

Дегенерация холинергических нейронов базальных ядер переднего мозга -один из наиболее ранних этапов БА, коррелирующий с проявлением когнитивного дефицита у пациентов. В связи с этим модели, созданные с помощью фармакологических воздействий, воспроизводящих холинергический дефицит, наблюдаемый на ранних стадиях БА, можно отнести к традиционным. Этот подход использовали как в экспериментах на грызунах, так и в работах на приматах. С этой целью обычно инъецируют антагонисты мускариновых ацетилхолиновых рецепторов, такие как скополамин, или повреждают определенные структуры мозга. К последней категории относятся модели, включающие разрушение крупноклеточного базального ядра, септо-гиппокампального пути или гиппокампа, которые могут быть реализованы различными средствами, например при помощи возбуждающих аминокислот (N-метил- D-аспартата, каината, хинолината, квискволата и т.п.). Как правило, эти модели позволяют получить у животных нарушения обучения и памяти, которые в большей или меньшей степени связаны с гипофункцией холинергической системы. Критический обзор этих моделей был дан в работе. Такой подход позволяет получить так называемые аналогичные модели — моделировать поведенческий и холинергический дефицит у животных, однако без характерной патоморфологической картины течения БА (т.е. без образования амилоидных бляшек и нейрофибриллярных сплетений). Следует отметить также, что при БА обнаружена и существенная утрата глутаматергических ассоциативных связей в коре, которая коррелирует с тяжестью патологии. Поэтому моделирование на животных с использованием только антихолинергических агентов не может рассматриваться как полноценная модель БА.

В конце 1980-х — 1990-х годах были разработаны новые подходы к моделированию БА на животных, прежде всего грызунах. Среди них можно выделить использование внутримозговых инъекций специфического холинотоксина AF64A (этилхолин азиридиний) или селективного цитотоксина 192-IgG-canopnHa. AF64A — токсический аналог холина, который был исходно предложен в качестве холинергического нейроспецифичного токсина. Установлено, что в малых дозах (1—3 нмоль) AF64A вызывает продолжительную холинергическую гипофункцию и гибель холинергических нейронов в медиальном ядре перегородки. AF64A имеет холиноподобную структуру, соединенную с высокореактивным цитотоксическим азиридиниевым кольцом. Благодаря такому сходству система транспорта холина может захватывать AF64A и вносить его внутрь клетки, где токсин угнетает синтез ацетилхолина. Это выражается в первую очередь в нарушении системы активного транспорта холина, снижении активности холинацетилтрансферазы (ХАТ), холинкиназы, холиндегидрогеназы, ацетилхолинэстеразы (АХЭ) в холинергических теминалях. Эти процессы приводят к возникновению пресинаптической холинергической гипофункции, сопровождающейся снижением синтеза и высвобождения ацетилхолина. Указанный эффект является специфическим, поскольку AF64A не влияет существенно на активность ферментов, которые не используют холин в качестве субстрата. He изменяются и уровни других нейротрансмиттеров, а именно: дофамина, норадреналина, серотонина и их метаболитов как в гиппокампе, так и в стриатуме, амигдале, фронтальной и париетальной коре. AF64A снижает активность XAT в гиппокампе крыс, не затрагивая при этом фронтальную и париетальную кору, стриатум, амигдалу. Следует отметить, что хотя AF64A является нейротоксином, воздействующим на холинергические клетки, он может также вызывать изменения норадренергической и серотонинергической трансмиссии.

Холинергическая гипофункция сопровождается когнитивными нарушениями, проявляющимися в различных поведенческих тестах, позволяющих оценить состояние процессов памяти у крыс. Было установлено, что введение AF64A нарушает выработку и сохранение условной реакции пассивного избегания, равно как и обучение и воспроизведение реакции активного избегания. AF64A ухудшает выполнение животными задач, требующих участия пространственной памяти — обучение в радиальном лабиринте и водном лабиринте. B то же время, Д.К. Лим с сотрудниками показали, что нарушения пространственной и непространственной памяти у крыс после AF64A со временем исчезают. Расширенное тестирование с AF64A в более сложных задачах до сих пор не предпринималось. Вероятно, как и в случае повреждения крупноклеточного базального ядра, AF64A может приводить к возникновению состояний, характерных для более поздних стадий БА, при которых происходит дегенерация в базо-кортикальном холинергическом пути.

Еще одним токсином, который получил широкое распространение в исследованиях, направленных на понимание патологии холинергической системы при БА, является иммуноглобулин 192-IgG-caпорин. Этот иммунотоксин был создан на основе моноклонального антитела к низкоаффинному рецептору фактора роста нервов (NGF) p75NTR и гликозида мыльнянки лекарственной сапорина. Токсическое действие сапорина связано с инактивацией рибосом. Связываясь с рецепторами p75NTR, расположенными на мембране холинергических нейронов, 192-IgG-cапорин проникает внутрь клетки по механизму, сходному с нейротрофином NGF, и ретроградно транспортируется клеткой в сому, где расщепляется с высвобождением сапорина. Сапорин инактивирует рибосомы нейрона, что приводит к гибели клетки. Известно, что интрацеребровентрикулярное введение 192-IgG-cапоринa вызывает существенное снижение функциональных показателей холинергической системы в проекционных зонах холинергических нейронов, новой коре и гиппокампе, значительному уменьшению иммунореактивности XAT и АХЭ в медиальном септальном ядре и диагональном ядре полоски Брока. В то же время, изменения обучения и памяти у крыс после введения этого иммунотоксина не столь однозначны. Некоторые авторы сообщают о нарушении памяти у крыс при обучении в водном лабиринте Морриса, а другие отмечают отсутствие выраженного эффекта 192-IgG-caпоринa на пространственное обучение и память, отмечая, что изменения памяти, наблюдаемые в водном лабиринте, в большей степени связаны с нарушением поведения вообще.

Модели БА, использующие свойства амилоидиого-β-пептида (Аβ), можно разделить на две большие группы: трансгенные и нетрансгенные модели. Несмотря на большую популярность работ с использованием методов генной инженерии, позволяющих получать лабораторных животных, экспрессирующих в мозге белок-предшественник Аβ, число исследований с применением относительно простого введения различных фрагментов Aβ продолжает увеличиваться. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, как уже отмечалось, число генетически обусловленных случаев семейных форм БА относительно невелико. Во-вторых, главное преимущество трансгенных моделей — образование амилоидных бляшек в мозге — проявляется только при довольно высоком уровне экспрессии гена белка-предшественника Aβ человека в мозге мышей. В-третьих, отсутствие значительных нейродегенеративных изменений у трансгенных мышей не позволяет моделировать механизмы патогенеза БА, связанные с гибелью нейронов.

Введение Aβ в мозг животных (крыс или мышей) приводит к развитию дисфункции, связанной с нейродегенерацией и нарушениями процессов обучения и памяти. Способность Aβ и его синтетических аналогов вызывать когнитивный дефицит была продемонстрирована разными авторами. Так, введение пептидов Аβ(1-40) и Аβ(12-28) в мозг нарушало воспроизведение реакции активного избегания в Y-образном лабиринте у мышей и крыс, обучение пассивному избеганию и обучение в Y-образном лабиринте с использованием пищевого подкрепления у крыс. Инъекция Аβ(1-42) в базальные ядра вызывала нарушение выработки пассивного избегания и нарушение поведения в тесте «открытое поле». Хроническое введение Аβ(1-42) в латеральные желудочки мозга крыс также нарушало поведение в водном лабиринте. Острые и хронические интрагиппокампальные инъекции Аβ(1-40) не нарушали выполнение стандартной задачи в 8-рукавном лабиринте, хотя острая инъекция нарушает выполнение этой задачи при 30-секундной задержке между 4 и 5 выборами рукавов. Приведенные данные свидетельствуют о том, что инъекции Аβ-пептидов вызывали возникновение амнезии у мышей и крыс.

В своих экспериментах Т. Маурик с сотрудниками индуцировали амнезию у мышей с помощью центрального введения агрегированного Аβ(25-35). Введение Аβ(25-35) до обучения вызывало дозо-зависимое нарушение рабочей памяти в тесте спонтанного чередования рукавов в Y-образном лабиринте и нарушение обучения и воспроизведения реакции пассивного избегания. Эти нарушения поведения наблюдались при однократном введении агрегированного Аβ(25-35) в дозах 3 и 9 нмоль. Введение Аβ(25-35) крысам вызывало нарушение пространственной рабочей памяти в радиальном 8-рукавном лабиринте и обучения в Y-образном лабиринте. Инъекция агрегированного Аβ(25-35) в боковые желудочки мозга крыс вызывала нарушение памяти в водном лабиринте. Введение Аβ(25-35) в ядра перегородки или боковые желудочки мозга крыс нарушало обонятельную память в тесте социального взаимодействия (social recognition) у крыс. У крыс введение Аβ(25-35) вызывает нарушение ориентировочно-исследовательского поведения в тесте «открытого поля» Ряд авторов продемонстрировали трудности выработки и сохранения реакции пассивного избегания у крыс, вызванные введением Аβ(25-35), однако этот эффект Аβ(25-35) в значительной мере зависит от дозы пептида и времени наблюдения после его введения.

Нарушения краткосрочной пространственной памяти в водном лабиринте Морриса были продемонстрированы на крысах после билатеральных инъекций Аβ(25-35) в гиппокампальные области СА1-СА3. Е.М. Сигурдссон с сотрудниками показали, что билатеральные интраамигдалярные инъекции Аβ(25-35) не оказывали влияния на поведение в водном лабиринте Морриса и условную реакцию одностороннего избегания, вызывая лишь незначительные изменения поведения крыс в тесте «открытого поля». На отсутствие влияния Aβ на процессы обучения и памяти указывают и некоторые другие авторы.

Впервые способность Аβ(1-40) вызывать дегенерацию нейронов и их отростков в мозге in vivo была продемонстрирована Н. Коваллом с сотрудниками. В других ранних работах in vivo при инъекциях Aβ в гиппокамп и кору больших полушарий мозга крыс не удавалось обнаружить существенных изменений, которые были бы сходны с морфологической картиной БА. По всей видимости, отсутствие эффектов Aβ могло быть связано с использованием в этих исследованиях неагрегированных пептидов, поскольку известно, что нейродегенерация, вызванная Aβ in vitro, зависит от его фибриллярной b-структуры: агрегированный Aβ обладает большей нейротоксичностью по сравнению с неагрегированным пептидом. Позднее нейротоксичность фибриллярных фрагментов Aβ in vivo была неоднократно подтверждена в работах разных исследовательских коллективов. Нейротоксические свойства целого пептида сохраняются и у ряда фрагментов, в частности характерны для фрагмента Aβ(25-35). Н. Ковалл с сотрудниками установили, что инъекция Аβ(25-35) в кору больших полушарий мозга крыс вызывала локальный некроз в месте введения, окруженный зоной гибели нейронов и глиозом, однако дистантной нейродегенерации не наблюдалось. Интрагиппокампальные инъекции агрегированного Аβ(25-35) вызывали повреждения в гиппокампе крыс и действовали на уровни нейротрансмиттеров в двух подкорковых структурах, которые имеют проекции аксонов в гиппокампе: голубом пятне и медиальной перегородке. Унилатеральное введение Аβ(25-35) в амигдалу крыс вызывало экспрессию белка тау-2 в телах нервных клеток ипсилатеральных амигдалы, цингулярной коры и гиппокампа и иммунореактивность к антителам Alz-50 в ипсилатеральной амигдале.

Следует заметить, что сроки возникновения когнитивных нарушений после различных манипуляций значительно варьируют. Так, введение фрагментов Ab в структуры или латеральные желудочки мозга приводит к возникновению амнезии, которая проявляется начиная с 4-го дня после операции, и, как установлено в работах М. Степаничева, сохраняется, по крайней мере, до 180-го дня после введения. В то же время, некоторые функциональные нарушения после введения Аβ(25-35) могут иметь приходящий характер. Например, было показано, что нарушение выработки и воспроизведения условной реакции замирания на предъявление экспериментального контекста возникало через 12 дней после введения Аβ(25-35). В то же время, при тестировании через 6 и 28 дней после инъекции Аβ(25-35) животные демонстрировали уровень фризинга, сходный с контролем. Эти результаты согласуются с полученными ранее данными. Время возникновения нарушений памяти также было сходным с тем, что сообщали другие авторы. В то же время, в большинстве из цитированных работ эта форма поведения была исследована лишь однажды, и практически ни в одной из них не сообщалось о временном развитии когнитивных нарушений после введения Аβ.

Ранее было показано, что нарушения контекст-зависимой памяти коррелируют с холинергической дисфункцией, включая снижение уровня ацетилхолина, активности и экспрессии гена ХАТ. Кроме того, ингибирование АХЭ или аллостерическое потенцирование рецепторов ацетил-холина снижало выраженность когнитивных нарушений, вызванных Аβ(25-35). В нашей работе было установлено, что появление нарушений памяти было связано со снижением числа ХАТ-позитивных нейронов в медиальном септальном ядре, которое наблюдалось через 12 дней после введения Аβ(25-35) в боковые желудочки мозга. Вместе с тем, через 28 дней после воздействия, несмотря на то что число холинергических нейронов оставалось сниженным, поведение крыс в тесте условно-рефлекторного замирания не было нарушено.