3 курс / Фармакология / НАУЧНО_МЕТОДИЧЕСКОЕ_ОБОСНОВАНИЕ_БИОСКРИНИНГОВЫХ_ПЛАТФОРМ_ДЛЯ_ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

21

Neuroscience (США, Сан-Диего, 2010, 1018, Вашингтон, 2012, Чикаго,

2017), 4 Конференции «Behavior, Biology and Chemistry of Addiction» (Сан Антонио, США, 2012), 21 Ежегодной конференции International Behavioral Neuroscience Society (Кона, США, 2012), Первой конференции биомедицинских и естественные наук и терапии Южной Африки

(CoBNeST, Стелленбош, ЮАР, 2018), 8 международном симпозиуме MBI

(Mind-Body Interface, Тайчунг, Тайвань, 2018), II Международной научной конференции по экологии и биоразнообразию (Алматы,

Казахстан, 2019), V ежегодной конференции СПбГУ «Актуальные проблемы трансляционной биомедицины — 2019» (Санкт-Петербург, 2019), симпозиуме Zebrafish Husbandry Association на Всемирном конгрессе по акватической биологии (Новый Орлеан, США, 2019), 14

Международном конгрессе Польского общества нейронаук (Катовице,

Польша, 2019), XLIII Ежегодном конгрессе Brazilian Society for

Neuroscience and Behavior (Сан-Паоло, Бразилия, 2020), Первой международной онлайн-конференции по нейробиологии зебраданио

(Бразилия, 2020), 1-5 Международных симпозиумах ISBS по нейробиологии "Translational Biological Psychiatry" (Киев, Украина, 20172021), XXV Научной школе-конференции молодых ученых по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (Москва,

2021), Саммите ученых и инженеров “Большие вызовы для общества,

государства и науки” (Сочи, 2021) и 16-ой Международной региональной конференции по биологической психиатрии «Стресс и поведение» (ISBS,

Ямагучи, Япония, 2022).

Материалы диссертационного исследования также докладывались на 14 Международном конгрессе по биологии рыб (ICBF, Монпелье,

Франция, 2022), 31 Ежегодной конференции International Behavioral Neuroscience Society (Глазго, Великобритания, 2022), V Инновационном

https://t.me/medicina_free

22

Петербургском медицинском форуме (Санкт-Петербург, 2022), 13

международной мульти-конференции BGRS/SB-2022 (Новосибирск, 2022), Международной конференции BIO-SEE «Современные методы биовизуализации в медицине», посвященной 140-летию Л.А. Орбели

(Ереван, Армения, 2022), научной конференции «Молекулярные медиаторы иммунитета и других физиологических процессов» (Сочи, 2022), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием по психиатрической генетике (Санкт-

Петербург, 2022), V Международном форуме "Cognitive Neuroscience

2022" (Екатеринбург, 2022), 5 Всероссийской конференции по медицинской химии (Волгоград, 2022), Международной научной конференции по нейробиологии “Neuroscience Week 2023” (Ереван,

Армения, 2023) и международной конференции по нейронаукам Volga Neuroscience Meeting 2023 (Нижний Новгород, 2023).

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Медицинской школы Джорджтаунского университета

(Вашингтон, США, 2007-2009), Медицинской школы университета Миннесоты (Миннесота, США, 2009), Медицинской школы и Нейробиологической программы университета Тулейна (Новый Орлеан,

США, 2008-2012), 10 Весенней школы Japanese Molecular Biology Society (Мацушима, Япония, 2010), Института нейробиологии RIKEN (Токио,

Япония, 2010), Токийского университета сельского хозяйства и технологий (Токио, Япония, 2010), Scandinavian Society for Laboratory

Animals Science (Копенгаген, Дания, 2011), Института биомедицинских наук Университета Цюриха (Цюрих, Швейцария, 2011), Института психиатрии Макса Планка (Мюнхен, Германия, 2011), Медицинской школы университета Вюрцбурга (Вюрцбург, Германия, 2011), Института нейробиологии им. Лейбница (Магдебург, Германия, 2011),

https://t.me/medicina_free

23

Университета Утрехта (Утрехт, Нидерланды, 2011), Университета Лейдена (Лейден, Нидерланды, 2011), Университета Иннсбрука

(Иннсбрук, Австрия, 2011), Института морских препаратов Гуандуньского океанического университета (Жанжанг, Китай, 2014-

2016), Сингапурского университета технологии и дизайна (Сингапур, 2013), Сингапурского института A-STAR (Сингапур, 2013),

Массачусетского технологического института (Бостон, 2013), Института фармакологии им. В.В. Закусова РАН (Москва, 2014), Школы биомедицинских наук Университета Квинсленда (Брисбан, Австралия, 2014), Школы фармацевтики Университета Кентукки (Лексингтон, США, 2014), НИИ цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск, 2015),

Университета Калькутты (Калькутта, Индия, 2015), Стамбульского университета (Стамбул, Турция, 2015), симпозиуме Японского общества нейронаук (Кобе, Япония, 2015), Китайского университета Гонконга

(Гонконг, Китай, 2015), НИИ фармакологии им. А.В. Вальдмана Первого СПбГМУ им. И.П. Павлова (Санкт-Петербург, 2015), курса по нейрофармакологии Центра нейронаук Университета Хельсинки

(Хельсинки, Финляндия, 2015, 2016), Корейского института наук и технологий (Сеул, Корея, 2016), Университета Упсалы (Упсала, Швеция, 2016), Медицинской школы Университета штата Луизиана (Новый Орлеан, США, 2016) и Школы фармацевтики Юго-Западного университета (Чунцинь, Китай, 2017-2019).

Материалы диссертации были представлены и обсуждались на семинарах Медицинской школы Университета Тафтса (Бостон, США, 2019), Института клеточной и молекулярной биологии (Варшава,

Польша, 2019), Химико-технологического института Уральского федерального университета (2017-2021), РНЦ РХТ им. акад. А.М. Гранова МЗ РФ (2018-2020), Института физиологии НАН Армении (Ереван,

https://t.me/medicina_free

24

Армения, 2020), Института физиологии им. И. Бериташвили (Тбилиси,

Грузия, 2020), Школы биомедицинских наук Университета Портсмута

(Портсмут, Великобритания, 2021, Института экспериментальной медицины НМИЦ им. В.А. Алмазова МЗ РФ (Санкт-Петербург, 20182022), Казахского национального педагогического университете им. Абая

(Алматы, Казахстан, 2021), Центра нейробиологии COBRAIN

Ереванского Государственного медицинского Университета им. М.

Гераци (2021-2022), на семинаре «Молекулярный мозг» Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (Москва, 2022), научных семинарах Физтех-школы биологической и медицинской физики Московского физико-технического университета

(Москва, 2020-2022), лекциях, образовательных модулях и семинарах направления «Нейробиология» Научно-технологического университета

“Сириус” (2020-2023), семинарах НИИ физико-химической биологии им.

Белозерского МГУ (Москва, 2022), Института белка РАН (Пущино, 2022),

Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН РФ (Новосибирск, 2022), Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН (Владивосток, 2022), Национального научного центра морской биологии (Владивосток, 2022), а также докладывались на заседаниях секции физико-химической биологии Отделения биологических наук РАН, секции медико-биологических проблем Отделения медицинских наук РАН (Москва, 2022), и на Общем собрании профессоров РАН “Вклад фундаментальной науки в устойчивость и развитие общества” (Москва, 2023).

Результаты диссертационной работы включены в отчеты о научно-

исследовательской работе лабораторий ФГБОУ ВО «Санкт-

Петербургский государственный университет», ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет», ФГБУ «Национальный медицинский

https://t.me/medicina_free

25

исследовательский центр имени В.А. Алмазова» МЗ Российской Федерации, ФГБУ «Российский научный центр радиологии и хирургической технологии имени академика А.М. Гранова» МЗ РФ,

ФГБО УВПО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», ФГБ НУ «Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины», ФГАОУ ВО «Московский физико-

технический институт» и АНО ОВО «Научно-технологический университет «Сириус»» за 2016-2022 гг. Результаты исследований,

представленных в диссертации, внедрены в образовательные программы Института медицины и психологии им. В. Зельмана Новосибирского государственного университета, направления «Нейробиология» НТУ

«Сириус», НМИЦ им. В.А. Алмазова МЗ РФ, Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ и Института трансляционной биомедицины СПбГУ.

Содержание работы

Диссертация изложена на 223 страницах машинописного текста на русском языка (и аналогичного ему текста версии диссертации на английском языке), и состоит из введения, обзора литературы, материала и методов исследования, результатов и обсуждения, заключения,

выводов, списка публикаций по теме дисертации и списка литературы,

который включает 378 цитируемых источников. Работа проиллюстрирована 11 таблицами и 49 рисунками, а также содержит три Приложения. Глава 1 «Обзор литературы» посвящена описанию нейробиологии и нейрохимии зебраданио как модельного объекта для преклинического тестирования нейротропных препаратов. В главе 2 «Материалы и методы исследования» вкратце описываются основные методы, примененные в экспериментальных исследованиях в настоящей

https://t.me/medicina_free

26

работе, включая фармакологические, поведенческие, нейрохимические,

молекулярно-биологические и биоинформационные.

В главе 3 приводятся основные результаты исследования и их обсуждение. Описываются психофармакологические профили широкого спектра препаратов, анализируются их молекулярные биомаркеры при остром или хроническом действии, а также описываются новые методы детекции их профиля, разработанные в диссертации – в том числе основанные на оценке вибрации, изменения пигмпентации кожи,

построения трехмерных локомоторных траекторий, и анализа группового

(стайного) поведения. В главе также критически обсуждаются существующие лимитации на использование зебраданио для решения данной проблемы, и рассматриваются пути их преодоления. Глава 4

посвящена исследованию действия фармакологических препаратов нейротропного профиля на зебраданио и их анализ с использованием разработанных нами нейросетей и системы искусственного интеллекта

(ИИ). Глава 5 формулирует принципы дальнейшего применения зебраданио для доклинического тестирования нейротропных препаратов,

в том числе для создания высокопроизводительных биоскрининговых платформ на основе данного модельного организма. В данной главе также критически обсуждаются объективные ограничения зебраданио как модельного организма для биоскрининга. Завершается диссертация разделами «Заключение» и «Выводы», в котором излагается точка зрения автора на роль и место зебраданио в современной системе доклинических исследований (на примере нейротропных препаратов), а также делаются практические рекомендации по их применению. В Приложениях содержится дополнительная общая информация по нейробиологии зебраданио, а также приводятся фотографии и методики по основным нейроповеденческим тестам и протоколу хронического стресса.

https://t.me/medicina_free

27

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Нейробиология зебраданио

Zebrafish (Danio rerio, Приложение 1) - небольшие пресноводные костные рыбы, описаные Ф. Гамильтоном в 1822 году в провинции Бенгал в Индии (Hamilton, 1822). В отечественной научной литературе нет единого устоявшегося названия этого вида рыб, и поэтому в качестве целесообразной альтернативы в настоящей работе будет использоваться термин “зебраданио”. Ареал их обитания включает северо-восточные,

южные и западные районы Индии, Пакистана и Непала, а также Бангладеш и Мьянму (Engeszer et al., 2007b, Spence et al., 2008, Arunachalam et al., 2013). Данный вид в основном обитает в небольших мелководных реках, болотах, прудах и рисовых полях, как правило с обильной вегетацией (Spence et al., 2006, Engeszer et al., 2007b),

Приложение 1.

В своей естественной среде обитания рацион взрослых зебраданио составляют личинки и взрослые насекомые, а также мелкие ракообразные и водоросли (McClure et al., 2006, Spence et al., 2007). В природе для зебраданио естественными хищниками являются более крупные хищные рыбы, а также диморфптицы и личинки стрекоз (Engeszer et al., 2007b).

Зебраданио – стайные социальные животные с четкой социальной иерархией (Engeszer et al., 2007b, Engeszer et al., 2008), которые в лабораторных условиях размножаются круглый год (Bloom and Perlmutter, 1977, Gerlach, 2006), демонстрируя сложные формы брачного поведения (Darrow and Harris, 2004, Sessa et al., 2008, Kang et al., 2013) и

высокую плодовитость (Spence and Smith, 2006).

Зебраданио в природе характеризуются чрезвычайно вариабельной средой обитания, живя в широком диапазоне температур – от холодных

https://t.me/medicina_free

28

горных речек и ручьев (+14-15 оС) до мелководья прогретых солнцем рисовых полей (выше 30 оС). Данное разнообразие среды обитания создает условия для высокого уровня физиологической адаптивности данного вида, а также для высокой популяционной вариабельности зебраданио (Nechiporuk et al., 1999, van Eeden and Cuppen, 2006, Coe et al., 2009, Whiteley et al., 2011, Brown et al., 2012). У зебраданио также отмечен выраженный половой диморфизм (Braida et al., 2012) с полигенным механизмом определения пола (Liew and Orbán, 2014, Nagabhushana and

Mishra, 2016). Существуют половые отличия в поведении зебраданио

(Tran and Gerlai, 2013a; De Abreu et al., 2022), например, в агрессивном поведении, которое у самцов (но не у самок) повышается при хроническом стрессе (Rambo et al., 2017) на фоне роста оборота серотонина и снижения оборота дофамина в переднем мозге (Dahlbom et al., 2012). Отмечены также половые различия в поведенческих и физиологических ответах зебраданио на боль (Marcon et al., 2022) и

введение различных нейротропных препаратов (Volgin et al., 2019c), см.

также (Genario et al., 2020a,b; Dos Santos et al., 2021; De Abreu et al., 2022).

Морфология ЦНС зебраданио (Приложение 1) отличается достаточной степенью эволюционной консервативностью, и основные отделы их мозга гомологичны отделам мозга млекопитающих (Kalueff et al., 2014a). В частности, медиальный паллиум, важный при патогенезе аффективных расстройств человека, особенно тревожного спектра (Rauch et al., 2000, Shin et al., 2006), считается гомологичным миндалевидному телу млекопитающих (Martín et al., 2011, Mueller et al., 2011, Portavella et al., 2004, von Trotha et al., 2014). С нейрохимической точки зрения, ЦНС зебраданио обнаруживает сходство ключевых нейротрансмиттеров,

рецепторов, ферментов и транспортеров с таковой у млекопитающих

(Panula et al., 2006, Alsop and Vijayan, 2008, Stewart et al., 2015b). С

https://t.me/medicina_free

29

фармакологической точки зрения, зебраданио чувствительны к основным классам нейротропных веществ, в т.ч. психостимулянтам (Ninkovic and Bally-Cuif, 2006), опиоидам (Lau et al., 2006a) и другим анальгетикам

(Demin et al., 2018a,b; Costa et al., 2019a,b, 2022, de Abreu et al., 2019),

этанолу (Tran et al., 2015), галлюциногенам (Neelkantan et al., 2013b),

анксиолитикам, седативам (Bencan et al., 2009b), антидепрессантам,

антиэпилептикам (Stewart et al., 2014a) и антипсихотикам (Bruni et al.,

2016).

У человека при самых различных заболеваниях мозга, особенно при депрессии (Herbert, 2013, Holsboer, 2001), тревоге (Hek et al., 2013, Korte, 2001), аддикции (Keedwell et al., 2001, Lovallo, 2006) и

нейродегенеративных расстройствах (Belanoff et al., 2001, Wahbeh et al., 2008), часто отмечают различные нейроэндокринные дисфункции

(Genario et al., 2019). Они также успешно моделируются на зебраданио

(Abreu et al., 2018, 2020, 2021; Giacomini et al., 2020a,b; Moraes et al., 2021).

Например, активация ГГИ системы рыб приводит к высвобождению гормона стресса кортизола (Canavello et al., 2011), который, как и кортизол человека, в свою очередь, действует на рецепторы глюкокортикоидов (ГР), подобно ГГА системе млекопитающих (Alsop and Vijayan, 2009, Griffiths et al., 2012, Pavlidis et al., 2015). При этом

генетический нокаут гена ГР (grs357) дезорганизует отрицательную обратную связь в системе ГГИ зебраданио, вызывая характерные

‘аффективные’ поведенческие фенотипы (тревожность, сниждение локомоторной активности) и усиленную секрецию кортизола – ответы,

большинство из которых купируется при введении селективного

ингибитора обратного захвата серотонина (СИОЗС) флуоксетина (Ziv et

al., 2013b, Griffiths et al., 2012). Поскольку последний также является

клинически активным антидепрессантом-анксиолитиком, это

https://t.me/medicina_free

30

подтверждает валидность модели зебраданио для скрининга антидепрессантов, а также, в более широком смысле, указывает на эволюционно-консервативную природу аффективных синдромов,

возникающих в результате генетических или иных нарушений ГГИ/ГГА систем (De Abreu et al., 2022).

Глутамат традиционно считается основным возбуждающим нейромедиатором ЦНС, нарушения в системе которого у человека вызывают шизофрению, эпилепсию, посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) и целый ряд других болезней мозга. Сходные нарушения также отмечаются при дизрегуляции глутамата на животных моделях. У рыб глутаматергическая передача опосредуется везикулярными транспортерами (Filippi et al., 2014), а также метабо- и

ионотропными рецепторами, гены которых экспрессируются в ЦНС эмбрионов почти сразу после оплодотворения (Higashijima et al., 2004, Rico et al., 2010).

Действуя в противовес глутамату, гамма-аминомасляная кислота

(ГАМК) является основным тормозным нейромедиатором мозга человека и животных, дисфункции которого вызывают многие заболевания ЦНС,

включая эпилепсию, биполярное и главное (униполярное) депрессивные расстройства, а также шизофрению (Brambilla et al., 2003, Edden et al., 2012, Benes and Berretta, 2001). У зебраданио ГАМК-ергические клетки появляются достаточно рано в онтогенезе, подтверждая эволюционную древность данной системы рыб (Doldan et al., 1999). Так, уже к третьему дню после оплодотворения распределение ГАМК-содержащих нейронов в мозге зебраданио напоминает паттерн их экспрессии в мозге млекопитающих на аналогичной стадии развития (Mueller et al., 2006).

ГАМК-содержащие нейроны широко распространены в различных отделах мозга зебраданио и активно участвуют в регуляции их

https://t.me/medicina_free