CC BY
4УДК 612.82
ГЕНЕТИЧЕСКИ ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ ВОЗБУДИМОСТЬ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ КАК ФАКТОР РИСКА РАЗВИТИЯ ПОСТСТРЕССОРНЫХ
ПОВЕДЕНЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ: ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ
DOI
Шалагинова И. Г.1, ВылегжанинаА. Э.1, Зачепило Т. Г.2, Дюжикова Н. А.2
1 Балтийский федеральный университет им. И. Канта 236041, г. Калининград, ул. Александра Невского, д. 14
2 Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.6.
e-mail: [email protected]
Аннотация. Обсуждается возможная роль возбудимости нервной системы в патогенезе постстрессорных расстройств. Животные с контрастной генетически детерминированной возбудимостью нервной системы имеют различную динамику и выраженность поведенческих нарушений в ответ на стресс, процессов нейровоспаления и показателей разнообразия микробиоты ЖКТ.
Ключевые слова: возбудимость нервной системы, стресс, постстрес-сорные расстройства, нейровоспаление, ось «микробиота-кишечник-мозг»
Распространенность психопатологий, таких как депрессия и тревожные расстройства, растет во всем мире. Нейробиологи-ческая основа этих психопатологий остается неясной, а объективные маркеры для диагностики и оценки риска отсутствуют. Гипотеза «стресс-диатез» [1] предполагает, что к их манифестации приводит взаимодействие двух факторов: генетической уязвимости и воздействия стрессоров. Высокая генетическая уязвимость с большей вероятностью приведет к развитию психопатологии в ответ на стресс. И наоборот, организмы с низкой генетической уязвимостью могут быть относительно устойчивы к стрессу и менее склонны к развитию психопатологических симптомов, даже в неблагоприятных условиях.
Наше понимание генетической уязвимости в отношении психических расстройств сегодня не является исчерпывающим и многое остается неизвестным. Необходимо выявить конкретные генетические факторы риска, понять их взаимодействие с факторами окружающей среды и только после этого результаты исследований можно будет воплотить в индивидуальные подходы к профилактике и лечению психических расстройств.
Мы предполагаем, что использование с этой целью в качестве моделей линейных животных с высокой и низкой возбудимостью нервной системы является перспективным, поскольку позволяет выявлять генетические факторы риска развития симптомов психопатологии при действии стресса, связанные с основными свойствами нервных процессов. Возбудимость, являясь важнейшей характеристикой функционального состояния нервной системы, доступна для объективного измерения и является более простым признаком для искусственного отбора, чем поведенческие характеристики лабораторных животных.
Предстоит понять не только то, какие генетические уязвимости связаны с развитием той или иной патологии, но и за счет каких процессов стресс приводит к нарушениям функций центральной нервной системы. В последние годы нейровоспаление рассматривается как один из механизмов, посредством которого стрессорная реакция меняет молекулярную, эпигенетическую и, в конечном итоге, клеточную пластичность, таким образом, что нарушается функция нервной ткани и, как следствие, поведение. В качестве возможного регулятора процессов нейровоспаления рассматривают ось «микробиота-кишечник-мозг», поскольку известно, что микроорганизмы могут через выделяемые ими метаболиты влиять на работу клеток нервной ткани, в том числе, на транскрипцию генов, связанных с воспалением через эпигенетические механизмы.
В данной работе мы изучили выраженность постстрессорного нейровоспаления и динамику изменений микробиоты кишечника у крыс с наследственно обусловленным высоким и низким уровнем возбудимости нервной системы.
Исследование проводили на пятимесячных самцах крыс двух линий: высокий порог, низкая возбудимость (ВП) и низкий порог, высокая возбудимость (НП), которые были селектированы в Институте физиологии им. И. Павлова РАН по величине порога возбудимости большеберцового нерва к электрическому току. Животные экспериментальных групп обеих линий были подвергнуты
длительному эмоционально-болевому стрессированию по протоколу К. Гехта.
Стрессированных животных и соответствующие контрольные группы декапитировали через 24 часа, 7, 24 и 60 дней после воздействия стресса, анализ поведения проводили в этих же временных точках после окончания стрессирования.
Поведение оценивали с помощью тестов «Открытое поле» (ОП) и «Приподнятый крестообразный лабиринт» (ПКЛ). Для оценки нейровоспаления в гиппокампе и префронтальной коре оценивали количество иммунопозитивных клеток (микроглиальный маркер Ibal), определяли уровень мРНК генов, связанных с про- и противовоспалительными цитокинами, в структурах, вовлеченных в патогенез постстрессорных патологий (префронтальная кора, гиппокамп, миндалина). Кроме того, оценивали уровень экспрессии некоторых генов, вовлеченных в синаптическую пластичность (nr3c1, nr3c2, bdnf).
Для изучения микробного разнообразия экстрагировали ДНК из стула животных с последующим секвенированием гена 16S рРНК.
Выявлены специфичные для линий крыс с контрастной возбудимостью поведенческие эффекты стресса: у низковозбудимых животных (ВП) отсутствовали какие-либо постстрессорные поведенческие симптомы на протяжении большей части периода наблюдений, однако через 60 дней после окончания стрессирования крысы данной линии демонстрировали значимое снижение локомоции и груминга в тесте ОП по сравнению с контролем. У высоковозбудимых животных линии НП наблюдаются выраженные тревожно-подобные симптомы уже через сутки после стресса и сохраняются до 60 го дня.
У высоковозбудимых крыс обнаружено значимое увеличение числа микроглиальных клеток на 7 сутки после стрессирования во всех исследованных зонах гиппокампа, уровень мРНК про-воспалительного цитокина IL1 в у этих животных значимо выше по сравнению с контролем к 24 му дню после стресса в гиппокам-пе и миндалине. Эффект стресса на количество микроглиальных клеток у низковозбудимых крыс менее выражен и заметен только в области СА1 в тот же временной промежуток, а увеличение экспрессии гена И1в отмечено только в гиппокампе через 24 дня после окончания стрессирования.
Анализ экспрессии генов, вовлеченных в синаптическую пластичность у интактных животных показал, что высоковозбудимые
крысы линии НП имеют значимо более низкий уровень экспрессии гена пг3с2 (кодирующего минералкортикоидный рецептор) в гип-покампе по сравнению с низковозбудимой линией ВП. Анализ краткосрочного и долгосрочного действия стресса на уровень экспрессии изучаемых генов выявил снижение уровня мРНК bdnf в преф-ронтальной коре и гиппокампе у крыс линии НП.
Микробиота кишечника интактных низковозбудимых крыс (ВП) характеризуется большим разнообразием по сравнению с высоковозбудимыми, о чем свидетельствуют значимо более высокие значения индексов альфа-разнообразия, но под воздействием стресса представленность конкретных родов бактерий меняется более динамично по сравнению с линией НП.
Можно предполагать, что исходно большее разнообразие ми-кробиоты кишечника низковозбудимых животных является одним из факторов, способных регулировать экспрессию генов провос-палительных цитокинов посредством выделения короткоцепочеч-ных жирных кислот, ингибирующих гистондеацетилазы хозяина (ИЭЛСз), тем самым влияя на активацию транскрипции генов хозяина не только в крови, но и в мозге. Это позволяет сдерживать развитие постстрессорного нейровоспаления, что, по-видимому, обеспечивает большие адаптивные возможности низковозбудимым животным линии ВП, которые в ответ на стресс показывают менее выраженные тревожно-подобные симптомы по сравнению с высоковозбудимой линией.
Гипотеза «Мульти-сетевой нейронной гипервозбудимости» [2] предполагает, что стойкое возбуждение в нервных цепях, связанных с генерацией тревоги, приводит к тревожным расстройствам; гипер (гипо)возбуждение в цепях, связанных с пониженным эмоциональным фоном, вызывает симптомы депрессии; постоянное возбуждение в цепях, вовлеченных в когнитивную обработку, вызывает навязчивые мысли. Такая патологическая нейрональная активность может быть вызвана неспособностью «уязвимой» нервной системы регулировать свое состояние при воздействии стрессора. Строгих доказательств данной гипотезы нет, частично она подтверждается ОШЛ8 исследованиями (полногеномный поиск ассоциаций) и транскриптомным анализом, которые свидетельствуют о том, в патогенезе психопатологий принимают участие гены, связанные с кальциевыми каналопатиями [3]. Полученные нами данные, не являясь прямыми доказательствами причинно-следственной связи уровня возбудимости с постстрессорными поведенче-
скими нарушениями у крыс, не противоречат высказанным выше предположениям.
Возможно, существуют и негативные эффекты аномально низкой возбудимости, когда сниженная нейрональная активность в важных для эмоционального контроля нервных сетях, так же приведет к нарушениям адаптации.
Полученные результаты позволяют сформулировать новые вопросы: как будут влиять другие модели длительного стресса на физиологические функции и поведение крыс с различной возбудимостью нервной системы? Каковы генетические и эпигенетические различия линий с высокой и низкой возбудимостью? Какие эпигенетические факторы могут быть потенциальными регуляторами развития постстрессорного воспаления у крыс с разной возбудимостью? Зная о влиянии стресса на микробиоту кишечника и возможностях микроорганизмов-симбионтов модулировать функциональное состояние ЦНС, необходимо проверить, будут ли целенаправленные изменения состава микробного сообщества, либо содержания микробных метаболитов, оказывать антивоспалительное действие в нервной ткани и способно ли такое вмешательство нормализовать поведение животных.
Финансовая поддержка: данное исследование было поддержано из средств программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» БФУ им. И. Канта и Госпрограммы 47 ГП «Научно-технологическоеразвитие Российской Федерации» (2019—2030), тема 0134—2019—0002.
Список литературы
1. Monroe S. M., Simons, A. D. Diathesis-stress theories in the context of life stress research: implications for the depressive disorders//Psy-chol. Bull. — 1991. — №.110. — Р. 406—425.
2. Binder M. R. The neuronal excitability spectrum: A new paradigm in the diagnosis, treatment, and prevention of mental illness and its relation to chronic disease//Am. J. Clin. Exp. Med. — 2021. — Т. 9. — № 6. — P. 187—203.
3. Liu Y. et al. Meta-analysis of genome-wide association data of bipolar disorder and major depressive disorder//Mol. Psychiatry. — 2011. — Т. 16. — № 1. — P. 2—4.
GENETICALLY DETERMINED NERVOUS SYSTEM
EXCITABILITY AS A RISK FACTOR FOR THE DEVELOPMENT OF POST-STRESS BEHAVIORAL DISORDERS: A STUDY ON ANIMAL MODELS
I. Shalaginova 1*, A. Vylegzhanina 1, T. Zachepilo 2, N. Dyuzhikova 2
1 Immanuil Kant Baltic Federal University 236041, Kaliningrad, st. Alexandr Nevskogo, 14
2 Institute of Physiology. I. P. Pavlov RAS 199034, St. Petersburg, nab. Makarova, 6.
*e-mail: [email protected]
Annotation. The possible role of nervous system excitability in the pathogenesis of post-stress disorders is discussed. Animals with contrasting genetically determined nervous system excitability show different dynamics and severity of behavioral disturbances in response to stress, neuroinflammation processes, and indicators of gut microbiota diversity.
Key words: nervous system excitability, stress, post-stress disorders, neuroinflammation, the "microbiota-gut-brain" axis.
