Рисунок 1. Молекулярная визуализация с помощью ПЭТ.
Молекулярная визуализация позволяет визуализировать молекулы в живом организме и предоставляет средства наблюдения за распределением и поведением молекул. Одно из самых захватывающих применений этой технологии – это возможность обследовать пациента изнутри, не затрагивая его.
«Самое большое преимущество молекулярной визуализации с использованием позитронно-эмиссионной томографии заключается в ее применимости к людям.- говорит Йоски Катаока, руководитель группы лаборатории визуализации клеточных функций в Центре молекулярной визуализации RIKEN. Ожидается, что молекулярная визуализация с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) будет способствовать диагностике заболеваний, а также нашему пониманию патологических состояний и терапевтических эффектов, а также разработке новых лекарств. Его уже используют для диагностики болезни Альцгеймера и рака. В октябре 2009 года лаборатория Катаока объявила о революционном достижении, которое может привести к разработке метода диагностики мигрени. Хотя многие люди страдают мигренью, до сих пор не найдено объективных методов диагностики или лечения. Их достижение привлекает внимание как открытие, которое должно кардинально изменить эту ситуацию.
Истоки в эксперименте, проведенном десять лет назад
Сильная пульсирующая боль на одной стороне головы. Это наиболее очевидный симптом мигрени, но он также может сопровождаться головокружением и тошнотой. В случае обострения этот комплекс симптомов мешает повседневной деятельности, что подтвердит любой хронический больной. «Считается, что боль при мигрени вызвана многократным сокращением и расширением кровеносных сосудов в головном мозге. Однако патология остается неясной, поэтому до сих пор нет объективного метода диагностики мигрени », – говорит Йоски Катаока. «Мы сделали открытие, которое кардинально изменит ситуацию.”
В октябре 2009 года Катаока и его коллеги попали в заголовки газет благодаря своему достижению «Раскрытие тайн мозга с помощью ПЭТ». Их исследование было опубликовано в ноябрьском номере журнала Journal of Nuclear Medicine в США. «ПЭТ, проведенный на крысах, позволил нам подтвердить, что за феноменом, известным как распространяющаяся депрессия, следует активация микроглии, которая опосредует воспалительные реакции в нервной ткани. Наше достижение привлекает внимание, потому что оно должно дать нам понимание патологии мигрени, а также их диагностики и лечения.”
Связь Катаока между распространением депрессии и мигренью выяснилась в ходе эксперимента, который он провел в Осакском институте биологических наук. «Все восходит к эксперименту, который я провел десять лет назад», – говорит он.
Первые встречи с распространяющейся депрессией
В 2000 году, исследуя, как можно использовать свет для управления деятельностью центральной нервной системы, Катаока разработал метод фотоокисления для подавления сигнальной функции синапсов. Нейроны в головном мозге высвобождают нейротрансмиттеры из концов аксона, которые отходят от тела нейрона и передают информацию соседним нейронам. В методе фотоокисления в мозг вводится фотосенсибилизирующий краситель, который вызывает окислительный стресс при воздействии света за счет генерации активных форм кислорода. Этот окислительный стресс подавляет сигнальную функцию синапсов, но только на участке, подверженном воздействию света, и этот участок постепенно возвращается в исходное состояние, когда свет удаляется. Этот метод привлек внимание как новаторский подход к изучению локализованных функций нейронной сети.
Позже Катаока использовал метод фотоокисления в ПЭТ-исследовании того, как можно локально подавить нервную функцию коры головного мозга обезьяны. ПЭТ является одним из самых мощных инструментов для мониторинга распределения и функций молекул в живых организмах, и включает введение молекулярного зонда – молекулы, нацеленной на сайт, несущей радиоизотоп, – в организм субъекта. Позитроны, или «положительные электроны», испускаемые радиоизотопом, сталкиваются с окружающими электронами, генерируя гамма-лучи, которые затем подсчитываются и визуализируются (рис. 1). Молекулярный зонд, использованный Катаока, представлял собой фтордезоксиглюкозу (ФДГ), которую получают путем присоединения фтора-18 (18F) к дезоксиглюкозе. Этот зонд позволяет исследовать метаболизм глюкозы, а также используется в ПЭТ-диагностике рака.
фигура 2. Распространение депрессии. Начиная с участка, подверженного окислительному стрессу (красный кружок), деполяризация распространяется волнами со скоростью 2-3 мм в минуту. Волны деполяризации распространяются по всей коре полушария, но никогда не передаются в противоположное полушарие. Нейроны чрезмерно стимулируются деполяризацией, и за эпизодом следует снижение нервного метаболизма.
«Действующие нейроны демонстрируют высокий уровень метаболизма глюкозы и поглощают большое количество ФДГ. ПЭТ-визуализация выявила значительное снижение поглощения ФДГ в фотоокисленных сайтах, поскольку синаптическая функция была подавлена. Я планировал объявить результаты под заголовком: «Подавление функции центральной нервной системы за счет фотоокисления подтверждено ПЭТ», но я столкнулся с неожиданным и загадочным явлением.«ПЭТ-изображения, сделанные сразу после фотоокисления, показали подавленный нервный метаболизм только на фотоокисленных участках. Однако через день поглощение ФДГ снизилось, и нервный метаболизм был подавлен во всем полушарии коры головного мозга на фотоокисленной стороне. При этом противоположное полушарие оставалось нормальным. «Я не мог понять, почему это произошло, и следующие два года оставался в недоумении.”
Оказалось, что подавление нервного метаболизма по всей коре полушария было вызвано распространяющейся депрессией. «Когда нервная ткань подвергается серьезному окислительному стрессу, катионы проникают в клетки, и потенциал клеток на короткое время повышается; это явление называется деполяризацией. Когда популяция клеток подвергается деполяризации, это явление распространяется как волны со скоростью от двух до трех миллиметров в минуту, вызывая метаболическое подавление на пути деполяризующих волн. Волны деполяризации распространяются по всему полушарию коры, но никогда не передаются в противоположное полушарие. Хотя распространяющаяся депрессия была обнаружена еще в 1944 году, до недавнего времени она не привлекала внимания исследователей в области науки о мозге.Катаока попытался искусственно вызвать распространяющуюся депрессию, используя свой метод фотоокисления, и подробно изучить происходящее.
Глубокий сон, вызванный перевозбуждением
Крысы, пораженные распространяющейся депрессией, быстро становятся сонными и засыпают. Озадаченный этим открытием, Катаока и другие исследовали крыс с распространяющейся депрессией и обнаружили, что уровни фермента циклооксигеназы 2 (COX2) увеличиваются после события распространяющейся депрессии. COX2 производит большое количество простагландина, гормоноподобного вещества, которое вызывает глубокий сон. Катаока объясняет: «Я полагаю, что глубокий сон позволяет крысе дать отдых чрезмерно возбужденному мозгу и восстановить его функции.”
Тот же эффект, сонливость после решения чего-то сложного, также обычно ощущается людьми и возникает из-за того, что простагландин вырабатывается в результате чрезмерной стимуляции нейронов. Однако занятость или поглощенность чем-то обходят импульс сна. «Долгое отсутствие сна плохо влияет на работу мозга», – предупреждает Катаока. «Мозг утомляется, нервы нарушаются функционально. Одно исследование на людях показывает, что обучение более эффективно, если вы выспитесь после учебного процесса. «Перед экзаменом не занимайтесь всю ночь; вместо этого хорошо выспитесь »- хороший совет с точки зрения науки о мозге.”
Обнаружение двойной дифференцировки перинейрональных клеток-предшественников
Глубокий сон был не единственным состоянием, вызванным распространяющейся депрессией. «Новорожденные клетки вырабатываются в головном мозге в результате распространения депрессии», – говорит Катаока. «Мы предполагаем, что, когда мозг отдыхает, он активно восстанавливает нервную ткань, чтобы повысить ее устойчивость к стрессу.”
В головном мозге нейроны отвечают за передачу информации, а глиальные клетки доставляют питательные вещества к нейронам и, таким образом, поддерживают передачу информации. Считалось, что нейроны не регенерируются, за исключением гиппокампа и обонятельной луковицы, тогда как глиальные клетки регенерируются во всех частях мозга и полностью обновляются в течение года или около того.
Однако этот консенсус был нарушен исследованием, проведенным Катаока и его коллегами. Они исследовали мозг, чтобы определить, какие клетки делятся и в какие типы клеток они дифференцируются, в контексте распространения депрессии, с помощью конфокального лазерного микроскопа (рис. 3). «Мы обнаружили, что делящиеся клетки присутствовали в непосредственной близости от нейронов. Но вместо того, чтобы просто возникать в непосредственной близости от нейронов, клетки фактически вторгались в нейроны. Обычно считалось, что делящиеся клетки являются предшественниками глиальных клеток, и что все клетки-предшественники дифференцируются в глиальные клетки. Однако в действительности все было не так.Мониторинг делящихся клеток показал, что большинство клеток-предшественников подверглось саморепликации, некоторые стали глиальными клетками, а небольшое количество, менее 1%, стало ювенильными нейронами. Неожиданно оказалось, что клетки-предшественники способны дифференцироваться как в нейроны, так и в глиальные клетки.
«Клетки, способные к самовоспроизведению и дифференцировке как в глиальные клетки, так и в нейроны, по-видимому, являются тканевыми стволовыми клетками нервной системы. Мы называем эти клетки «перинейрональными клетками-предшественниками», и они обнаруживаются во всем головном и спинном мозге, включая кору головного мозга. Нейроны постоянно вырабатываются не только в гиппокампе и обонятельной луковице, но и в других областях. Это крупное открытие, которое опровергает общепринятые представления.”
Рисунок 3. Перинейрональная клетка-предшественник. Микрофотография перинейрональной клетки-предшественника (красный), полученная с помощью конфокального лазерного микроскопа. Ядро зрелого нейрона показано зеленым цветом. Клетка-предшественник перинейрональной клетки делится и размножается, распространяя депрессию. Перинейрональные клетки-предшественники не только способны к саморепликации, но также обладают плюрипотентностью для дифференцировки в глиальные клетки и нейроны.
Хотя исследования периневрональных клеток-предшественников только начались, некоторые интересные результаты уже были получены. Один из примеров – эффект старения. Есть два типа коры головного мозга: лимбическая кора, участвующая в контроле инстинктов и эмоций, и неокортекс, участвующий в высших атрибутах, таких как обработка информации и познание. Обследование крыс, выращиваемых до старости, показало, что перинейрональные клетки-предшественники в неокортексе – части мозга, отвечающей за высшие атрибуты, такие как обработка информации и познание, – значительно уменьшается с возрастом. Это не относится к лимбической коре – части мозга, связанной с инстинктами и эмоциями. Однако было обнаружено, что количество нейронов не изменилось, в отличие от общего мнения о том, что количество нейронов уменьшается с возрастом. Также было обнаружено, что мозг начинает атрофироваться, когда количество перинейрональных клеток-предшественников начинает уменьшаться. «В отличие от неокортекса, перинейрональные клетки-предшественники в лимбической коре очень мало уменьшаются с возрастом. Не могу не думать, что это может быть связано с тем, что бабушки и дедушки продолжают испытывать любовь к своим внукам, в то время как их способности к расчету и памяти с возрастом уменьшаются. Я подозреваю, что периневрональные клетки-предшественники являются одним из ключей к старению мозга. Остановив сокращение их количества, можно предотвратить функциональные нарушения, возникающие при старении. С этой мыслью я продолжаю свои исследования.”
К ПЭТ-диагностике мигрени
Распространение депрессии не было широко известно десять лет назад, когда Катаока столкнулся с этим явлением. Однако в последнее время ситуация изменилась. «Участие распространяющейся депрессии в начале мигрени было подтверждено у людей, и это явление привлекает внимание.”
Сцинтиллирующая скотома – один из симптомов, который может поражать людей, страдающих мигренью, в начале приступа мигрени. Этот симптом кажется пациенту как поле мерцающих огней, которое расширяется, создавая то, что обычно известно как аура мигрени – локализованная временная слепота. В пересчете на скорость передачи нервного возбуждения в поле зрения мозга скорость расширения светового поля оказывается такой же, как скорость передачи распространяющейся депрессии. Ощущение боли только на одной стороне головы также согласуется с тем фактом, что распространяющаяся депрессия не передается от одного полушария головного мозга к другому. «При распространении депрессии кровеносные сосуды в головном мозге многократно сужаются и расширяются. В это время белки плазмы вытекают из сосудов, вызывая иммунные реакции в нервной ткани, аналогичные тем, которые возникают при воспалении, и эти ответы передаются в сенсорные центры, вызывая боль. Это патологический механизм мигрени, предложенный текущими исследованиями.”
Катаока и его коллеги решили использовать ПЭТ, чтобы подтвердить, что иммунные ответы на самом деле вызваны распространением депрессии в нервной ткани у крыс. «Распространение депрессии – хорошая мишень для молекулярной визуализации.«В таких экспериментах важно сравнивать животных, получавших лечение, с их коллегами, не получавшими лечения. Однако сложно провести индивидуальное сравнение постоянно меняющейся активности мозга. К счастью, в случае распространяющейся депрессии ответы не передаются в противоположное полушарие, поэтому можно проводить одновременное сравнение между левым и правым полушариями мозга одного и того же человека.
Иммунные ответы в нервной ткани в основном связаны с микроглией, типом глиальных клеток. Имея это в виду, Катаока и его коллеги сконструировали молекулярный зонд, прикрепив радиоизотоп углерод-11 (11C) к PK11195, молекуле, которая связывается только с активированной микроглией. В экспериментах они вызывали распространяющуюся депрессию в левом полушарии коры головного мозга и визуализировали распределение молекулярного зонда 11C-PK11195. Они обнаружили, что молекулярный зонд накапливается в части коры левого мозга. «Это демонстрирует, что активация микроглии или иммунные реакции мозга были вызваны распространяющейся депрессией.”
Это последние открытия Катаока, и он уже переходит к следующему этапу. «В сотрудничестве с университетами мы планируем использовать ПЭТ в качестве диагностического инструмента для пациентов, у которых избыточный иммунный ответ в головном мозге подозревается в связи с нервными заболеваниями. Поскольку 11C-PK11195 представляет собой молекулярный зонд, безопасность которого для людей уже установлена, наш план может быть реализован после одобрения испытаний. При условии, что активация микроглии подтверждена и у людей, лекарство, подавляющее иммунные ответы, может использоваться в терапевтических целях. Если в будущем можно будет пройти тестирование пациентов, они смогут получить соответствующее лечение, позволяющее отличить мигрень от других типов головной боли.”
Возникает идея, что иммунные реакции мозга участвуют во многих заболеваниях, включая депрессию, шизофрению и синдром хронической усталости. Кроме того, последнее исследование Катаока дало результаты, предполагающие возможное участие периневрональных клеток-предшественников в иммунных ответах нервной ткани. Это открытие привлекает внимание, что будет способствовать дальнейшим исследованиям распространения депрессии и перинейрональных клеток-предшественников, а также связанных с ними медицинских приложений.
Связь периневрональных клеток-предшественников с регенеративной медициной
Катаока со смехом говорит: «Сейчас я иду в совершенно ином направлении, нежели то, что я хотел сделать изначально. Я столкнулся с распространяющейся депрессией – феноменом, который изначально было трудно объяснить, и это привело к исследованиям индукции сна, перинейрональных клеток-предшественников и мигрени. Как я могу соотнести эти разные фрагменты информации? Я бы хотел это подчеркнуть. Осознание того, что неожиданные события связаны между собой и работают по одному и тому же принципу, очень меня радует. Я хочу использовать ПЭТ для изучения перинейрональных клеток-предшественников и понимания их поведения и функций. В будущем молекулярная визуализация может помочь нам понять механизмы старения и привести к открытию метода предотвращения функционального ухудшения, связанного со старением. Любой метод, который увеличивает количество перинейрональных клеток-предшественников или усиливает их дифференцировку в нейроны, приведет к регенеративной медицине.Однако пока нет молекулярного зонда, который можно было бы использовать для мониторинга перинейрональных клеток-предшественников. «Хотя приготовить новый молекулярный зонд и исследовать молекулы с его помощью довольно сложно, есть хороший шанс, что мы сможем это сделать. Здесь, в Центре молекулярной визуализации RIKEN, исследователи, работающие в широком диапазоне областей, включая биологов, которые ищут молекулы, которые связываются с конкретными мишенями, химиков, которые готовят молекулярные зонды, прикрепляя радиоизотоп к молекулам, а также физиков и технологов, разрабатывающих оборудование. и инструменты всегда под рукой. Это означает, что у нас есть шанс провести уникальную работу над новыми и сложными проблемами.”