Межнейронный транспорт цитокинов вернул парализованным мышам способность двигаться

Немецкие ученые восстановили функции опорно-двигательного аппарата у мышей, получивших травмы спинного мозга. Такого результата удалось добиться, применив вирусные векторы с сигнальной молекулой, которая простимулировала регенерацию нейронов глубоко в мозговом стволе. Из коры головного мозга в ствол инженерные цитокины попали при помощи межнейронного транспорта. Результаты работы опубликованы в Nature Communications.

Центральная нервная система взрослых особей млекопитающих не может восстанавливать аксоны нейронов. Как правило, это приводит к тяжелым и неизлечимым последствиям при травмах спинного мозга — например, параличу. Такой недостаток регенерации в центральной нервной системе в основном связывают со снижением способности аксонов расти в ходе естественного развития нейронов. Кортикоспинальный тракт, который контролирует произвольные точные движения — один из самых «устойчивых» к регенерации в нервной системе.

Ранее предпринимались попытки возобновить рост аксонов в кортикоспинальном тракте, доставляя сигнальные молекулы, которые могли бы способствовать этому процессу, или нейтрализуя некоторые факторы, например ограничивающую природу миелина. Однако должного эффекта эти эксперименты не дали. Генетический нокаут гена PTEN в двигательных нейронах позволял некоторую регенерацию аксонов ниже места травмы, но не справлялся с главной задачей — восстановлением двигательных функций.

Сигнальные молекулы, которые могли бы запустить регенерацию, — цитокины типа интерлейкин-6 (IL-6). Цитокины этой группы воздействуют на сигнальный путь JAK/STAT3, который, как было показано ранее, необходим для восстановления аксонов.

Команда ученых из Рурского университета под руководством Дитмара Фишера (Dietmar Fischer) предложила несколько иной подход к восстановлению регенерации нейронов — при помощи модифицированной сигнальной молекулы, цитокина hyper-IL-6 (hIL-6). Главное отличие hIL-6 от его природного предшественника IL-6 состоит в дополнительной части, которая позволяет hIL-6 напрямую связываться с рецептором GP130. GP130, в свою очередь, широко экспрессируется многими нейронами, в отличие от цитокин-специфичных рецепторов. В ходе предыдущих исследований авторы показали, что hIL-6 усиливает регенерацию нейронов намного эффективнее, чем IL-6.

Авторы предложили доставлять hIL-6 при помощи вектора на основе аденоассоциированного вируса. Эффект такого подхода после тяжелой травмы спинного мозга сравнивали с действием нокаута гена PTEN.

Для начала ученые сравнили действие двух подходов — доставку hIL-6 и нокаут гена PTEN — на здоровых мышах, и увидели, что они активируют разные сигнальные пути в клетках. hIL-6 ожидаемо вызвал фосфорилирование STAT3, чем запускал сигнальный путь JAK/STAT3. Эффект был максимальным уже через неделю после инъекции векторов, и оставался стабильным как минимум еще восемь недель.

Далее исследователи проверили способность системы запускать регенерацию после сильного повреждения. Семинедельным мышам повредили спинной мозг и незамедлительно ввели вирусные векторы инъекцией в двигательную кору мозга. Еще через восемь недель при помощи микроскопии отметили удлинение аксонов кортикоспинального тракта (до шести миллиметров в длину), что намного больше наблюдаемого при нокауте PTEN (до полутора миллиметров). Впрочем, совместное применение двух методов привело к еще лучшему результату — аксоны удлинились на рекордные семь миллиметров.

Кроме того, в течение восьми недель после травмы и инъекции векторов исследователи оценивали двигательную функцию задних конечностей мышей. Сразу после травмы наступил полный паралич задних лапок. Со временем мыши из контрольной группы и группы с нокаутным PTEN восстановили только движения лодыжек. А вот мыши, которым вводили вектор с hIL-6, смогли ходить, в том числе переносить вес на задние лапы, поднимать их, выносить вперед и снова переносить на них свой вес. Интересно, что несмотря на инъекцию векторов лишь в левую часть двигательной коры головного мозга, обе задних конечности животных одинаково хорошо восстанавливали опорно-двигательные функции.

Также ученые решили разобраться в механизме, который лег в основу такого очевидного улучшения двигательных функций: тот же нокаут PTEN, несмотря на некоторую регенерацию аксонов, никак не повлиял на восстановление движения в лапках мышей по сравнению с контрольной группой. Некоторые источники указывали на роль нейронов с серотониновыми рецепторами в восстановлении опорно-двигательного аппарата, поэтому авторы работы проверили и их степень регенерации при помощи микроскопии. Действительно, отличительной чертой у мышей, получивших инъекцию с вектором hIL-6, стала регенерация серотонинергических нейронов в большей степени, чем у PTEN-нокаутных мышей.

Чтобы однозначно подтвердить роль этих нейронов в восстановлении опорно-двигательных функций, уже восстановившимся после травмы мышам ввели нейротоксин, который селективно убивает серотонинергические нейроны. Эффект, вызванный терапией, пропал, что указывает на участие серотонинергической системы мозга в регенерации функций опорно-двигательного аппарата.

Однако, чтобы воздействовать на серотонинергические нейроны, hIL-6 должен был попасть в продолговатый мозг. Инъекция векторов же была проведена в двигательную кору мозга. В ходе экспериментов с нейронами in vitro и in vivo, исследователи пришли к выводу, что вырабатываемые в результате трансдукции вектором цитокин hIL-6 передается межсинаптически между нейронами на достаточно далекие расстояния, в ядра шва, которые и находятся в продолговатом мозге. Таким образом, введенные в кору векторы запускают регенеративные сигнальные пути межнейронно, выпуская белок hIL-6 на концах аксонов, и сигнал доходит до продолговатого мозга.

Таким образом, исследователи подробно описали принцип действия предложенного ими средства на процесс регенерации нейронов и восстановление двигательных функций. Ученые отмечают, что такая терапия, возможно, будет иметь даже больший эффект в сочетании с другими подходами, а также в случае менее серьезных повреждений. Подобная терапия потенциально может быть применена и на людях.

Пока регенерация центральной нервной системы людей при помощи технологий генной терапии возможна только в теории, исследователи тестируют и другие способы реабилитации: например, при помощи электростимуляции спинного мозга паралитика заново научили ходить. В то же время, ученые широко исследуют подходы генной терапии на животных моделях in vivo. Так, ранее при помощи эпигенетического репрограммирования удалось восстановить зрительные нейроны мышам, утратившим зрение в результате глаукомы или возрастных изменений. В случае некоторых других заболеваний, подобные технологии уже доступны и в клинике — например, генную терапию против гемофилии А назвали безопасной и эффективной, а терапия против врожденной слепоты одобрена FDA еще в 2017 году.

Вера Сысоева