Пресс-центр / новости / Наука /

Хемогенетическая модель сердечной недостаточности

Ученые из Лаборатории молекулярных технологий, входящей в Отдел метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН, совместно с исследователями из Медицинской школы Гарварда разработали новую модель для исследования сердечной недостаточности, позволяющую понять, как именно окислительный стресс оказывает патологическое воздействие на этот орган. Исследование получило поддержку РНФ и опубликовано в журнале Nature Communications.

кадиомиопатия, DAAO, хемогенетика, синтетическая биология, сердечная недостаточность, окислительный стресс

Гончарук Сергей

Окислительный стресс является, по сути, дисбалансом потоков электронов внутри клетки: утечка электронов из каскадов метаболических и электрохимических реакций на кислород ведут к образованию активных форм кислорода и окислительному повреждению молекулярных структур в клетке. В норме такие утечки компенсируются работой эффективных антиоксидантных ферментов и систем репарации и биосинтеза. Однако если утечек слишком много, или если антиоксидантные системы испытывают недостаток «топлива», окислительное повреждение может накапливаться и приводить к некорректной работе клетки или органа. Это состояние и называется окислительным стрессом.

Существует множество научных данных разной степени достоверности о том, что окислительный стресс лежит в основе множества патологий, в первую очередь заболеваний сердечно-сосудистой системы, где кислород является «центральной» молекулой. Однако практически любая патология имеет сложную структуру, в которую вовлечено огромное количество различных метаболических и сигнальных процессов. Зачастую невозможно понять, является тот или иной процесс причиной или следствием патологии. Окислительный стресс является здесь типичным примером. Является ли он причиной или хотя бы неотъемлемым компонентом сердечной патологии, или вторичным процессом, возникающим на поздних стадиях заболевания в ходе рассогласования каких-то других процессов? Ответить на этот вопрос было невозможно без создания новых модельных организмов, в которых ученые могли бы «включать» окислительный стресс в здоровом сердце и потом наблюдать, развивается ли патология и насколько она похожа на болезнь, развивающуюся «естественным» путем.

Исследователи из ИБХ РАН вместе с коллегами из Гарварда создали такую модель, используя принципы синтетической биологии: перенося молекулярные блоки из одних организмов в другие с целью создания живых систем с новыми свойствами. Одним из направлений синтетической биологии является хемогенетика: внедрение в клетку генов, кодирующих белки, функционирующие в присутствии определенных химических веществ. Чтобы исследовать окислительный стресс на сердце, исследователи использовали оксидазу D-аминокислот (DAAO) — фермент, который был клонирован из дрожжей. Известно, что DAAO продуцирует пероксид водорода (H2O2) только в присутствии D-аминокислот, что приводит к окислительному стрессу. Но так как клетки млекопитающих используют почти исключительно L-аминокислоты, а не их D-стереоизомеры, фермент DAAO остается неактивным в клетках сердца до того момента как исследователи вводят в организм животного аминокислоту D-аланин. Команда исследователей использовала вирус для доставки DAAO в сердца крыс, а затем животных поили в течение нескольких недель питьевой водой, содержащей D-аланин. Затем сердца животных исследовали, используя эхокардиографию для измерения сердечной функции и размера сердца. Кроме того, исследователи измеряли маркеры воспалительного и адаптивного стресса.

Оказалось, что окислительный стресс вызывает у животных дилатационную кадиомиопатию — заболевание, при котором происходит растяжение полостей сердца. У животных значительно повышался уровень маркеров кардиомиопатии, таких как предсердный натрийуретический пептид и кардио-тропонин I. При этом не наблюдалось фиброза сердечной ткани, что свидетельствует о том, что либо фиброз не ассоциирован с окислительным стрессом, либо он возникает на более поздних стадиях патологии.

Ратиометрические флуоресцентные изображения кардиомиоцитов из сердец крыс, инфицированных вирусом AAV9 с геном HyPer-DAAO-NES, обработанных 5 мМ-раствором D- или L-аланина. Цветовая шкала показывает уровень “датчика” оксидативного стресса — молекулярного сенсора HyPer.

По словам Всеволода Белоусова, заведующего Лабораторией молекулярных технологий, в которой был разработан хемогенетический метод генерации пероксида водорода, использованный в исследовании, «впервые удалось установить причинно-следственную связь между окислительным стрессом и патологией, а также понять, какие именно аспекты патологии вызваны активными формами кислорода. То, что модель не предполагает хирургического вмешательства, делает ее исключительно удобной в поиске лекарственных препаратов, направленных на предотвращение и устранение последствий сердечной недостаточности. Очевидным дальнейшим направлением исследований является изучение влияния окислительного стресса на другие органы и ткани».

 

30 октября