Почему новая стратегия восстановления NMDA-рецепторов может изменить подход к лечению аутизма

Вместо попыток «починить» поврежденный ген ученые предлагают восстановить нарушенную работу нейронной сети — и первые результаты выглядят многообещающе

Исследователи показали, что восстановить передачу сигналов иногда важнее, чем пытаться исправить сам поврежденный ген.

Почему попытки усилить NMDA-рецепторы долго не приносили ожидаемого результата

Каждый раз, когда мы запоминаем новое слово, узнаем человека в толпе или принимаем решение, миллиарды нервных клеток обмениваются между собой электрическими и химическими сигналами. Чтобы этот обмен происходил точно и своевременно, мозг использует сложную систему рецепторов — своеобразных биологических «переключателей».

Одним из самых важных считается NMDA-рецептор. Именно он помогает нейронам изменять силу своих связей, лежащих в основе обучения, памяти и развития мозга. Если работа этого рецептора нарушается, последствия могут затрагивать самые разные функции — от когнитивных способностей до социального поведения.

Именно поэтому NMDA-рецепторы уже несколько десятилетий находятся в центре внимания нейробиологов. Но новая работа международной группы исследователей показывает, что, возможно, ученые слишком долго пытались решить проблему не с той стороны.

На первый взгляд идея кажется очевидной. Если рецептор работает недостаточно активно, значит, нужно сделать его более активным.

Именно так и поступали многие исследовательские группы. Они разрабатывали вещества, способные напрямую усиливать работу NMDA-рецепторов или повышать концентрацию глицина — одной из молекул, без которой рецептор не может полностью активироваться.

Однако на практике все оказалось значительно сложнее.

NMDA-рецепторы присутствуют практически во всем мозге и участвуют во множестве процессов. Их чрезмерная стимуляция может нарушать работу нервной системы и вызывать нежелательные эффекты. Кроме того, многие предыдущие препараты действовали слишком широко, затрагивая области мозга, которые отвечают не только за мышление, но и за дыхание, координацию движений и другие жизненно важные функции.

Именно поэтому результаты клинических исследований ингибиторов транспортера GlyT1 оказались неоднозначными: потенциальная польза часто сопровождалась ограниченной эффективностью или побочными эффектами.

Другими словами, проблема заключалась не столько в самой идее усилить NMDA-рецепторы, сколько в том, что сделать это безопасно оказалось чрезвычайно трудно.

Что ученые решили изменить на этот раз

Авторы нового исследования предложили отказаться от прямого воздействия на рецептор.

Вместо этого они сосредоточились на белке SLC6A20 — транспортере, который регулирует содержание глицина рядом с нервными клетками.

Чтобы понять значение этой идеи, полезно представить обычный автомобиль.

Если двигатель не получает достаточного количества топлива, можно бесконечно ремонтировать его детали. Но если причина в том, что топливо просто не поступает в нужном объеме, логичнее сначала восстановить работу топливной системы.

SLC6A20 как раз относится к таким транспортерам. Он забирает часть глицина из окружающего пространства. Если его активность уменьшить, концентрация свободного глицина рядом с рецептором возрастает, а значит, появляются условия для более эффективной работы NMDA-рецепторов.

Самое интересное заключается в том, что SLC6A20 распределен в мозге значительно избирательнее, чем другой хорошо известный транспортер — GlyT1. Он преимущественно работает в коре больших полушарий и гиппокампе — областях, отвечающих за обучение, память и высшие когнитивные функции. Теоретически это позволяет воздействовать более прицельно и уменьшить вероятность нежелательных эффектов.

Как проверяли новую гипотезу

Для проверки своей идеи исследователи использовали антисмысловые олигонуклеотиды (ASO).

Несмотря на сложное название, принцип их работы довольно понятен. Это короткие синтетические цепочки нуклеотидов, которые связываются с определенной молекулой РНК и временно уменьшают синтез нужного белка.

В данном случае ASO были направлены против транспортера Slc6a20a у мышей и человеческого SLC6A20 в лабораторных моделях.

Ученые исследовали сразу несколько моделей аутизма, связанных с мутациями SHANK2 и SHANK3. Эти гены относятся к числу наиболее известных факторов риска нарушений развития нервной системы и участвуют в формировании синапсов — специализированных контактов между нейронами.

Кроме мышей исследователи использовали и более современную экспериментальную модель — человеческие кортикальные органоиды.

Органоиды часто называют «мини-мозгом», хотя это не совсем точное определение. На самом деле это небольшие трехмерные структуры, выращенные из человеческих стволовых клеток. Они не способны мыслить или выполнять функции настоящего мозга, но позволяют воспроизводить многие особенности развития нервной ткани и исследовать работу отдельных нейронных сетей практически в человеческих клетках.

Использование сразу двух независимых моделей значительно усиливает научную ценность работы. Если похожие результаты наблюдаются и у животных, и в человеческих органоидах, вероятность того, что исследователи действительно обнаружили важный биологический механизм, становится выше. Однако это все еще не означает, что метод уже доказал свою эффективность у людей.

Самое неожиданное открытие исследования

Наиболее интересный результат оказался вовсе не в том, что работа NMDA-рецепторов улучшилась.

Гораздо важнее каким способом этого удалось добиться.

На протяжении многих лет разработка лекарств для наследственных нарушений развития мозга строилась вокруг одной идеи: если проблема вызвана дефектным геном, значит, необходимо восстановить именно этот ген или заменить отсутствующий белок.

Новое исследование предлагает иной взгляд. Авторы не пытались исправить мутации SHANK2 или SHANK3. Они не заменяли поврежденные гены. Не увеличивали синтез утраченных белков. Вместо этого они попытались вернуть в рабочее состояние саму нейронную сеть, которая перестала нормально функционировать вследствие этих генетических изменений.

Именно здесь происходит ключевой поворот. Возможно, при некоторых заболеваниях мозга эффективнее не исправлять первичную причину, а восстановить нарушенный механизм передачи сигналов между нейронами. Если эта концепция подтвердится в дальнейших исследованиях, она может изменить подход не только к аутизму, но и к другим заболеваниям, сопровождающимся сниженной активностью NMDA-рецепторов.

Что именно удалось восстановить

После снижения активности транспортера SLC6A20 исследователи увидели сразу несколько изменений.

Прежде всего восстановилась работа NMDA-рецепторов. Именно этого ученые и ожидали, поскольку повышение доступности глицина должно было облегчить их активацию.

Однако наиболее убедительными оказались последующие наблюдения. У мышей с мутациями SHANK2 улучшилось социальное взаимодействие, частично восстановилась социальная коммуникация, а также нормализовались некоторые нарушения поведения. В моделях с мутациями SHANK3 уменьшилась выраженность повторяющегося поведения — одного из характерных признаков ряда расстройств аутистического спектра.

Важно отметить, что изменения коснулись не всех симптомов одинаково. Например, повышенная двигательная активность у части животных практически не изменилась. Это говорит о том, что различные проявления заболевания могут быть связаны с разными биологическими механизмами и далеко не все из них зависят от работы NMDA-рецепторов.

Для науки это важное наблюдение. Оно показывает, что даже успешная коррекция одного нарушенного механизма не обязательно устранит все проявления сложного нейроразвивающего заболевания.

Почему исследователей особенно удивил анализ белков

Во многих подобных исследованиях ученые пытаются выяснить, изменилось ли количество тех или иных белков после лечения. Но результаты оказались неожиданными. Общее содержание большинства белков практически не изменилось. Зато существенно изменилась другая характеристика — фосфорилирование.

Если упростить, фосфорилирование можно сравнить с системой переключателей внутри клетки. Белок может присутствовать в достаточном количестве, но оставаться относительно «неактивным». Добавление небольшой фосфатной группы меняет его поведение: белок начинает работать иначе, взаимодействует с другими молекулами или активирует новые сигнальные пути.

Именно такую перенастройку исследователи обнаружили в белках, отвечающих за работу синапсов и NMDA-рецепторов. Другими словами, лечение не «строило новые детали», а помогало уже существующей системе снова работать согласованно.

Это один из наиболее интересных выводов исследования. Он показывает, что иногда восстановление функций мозга может зависеть не столько от количества белков, сколько от правильной настройки их активности.

Почему человеческие органоиды стали важной частью работы

Даже самые качественные эксперименты на животных не гарантируют, что похожий результат будет получен у человека. Поэтому авторы решили сделать еще один важный шаг. С помощью технологии CRISPR они создали человеческие кортикальные органоиды с мутациями SHANK2 и SHANK3, а затем обработали их антисмысловыми олигонуклеотидами, направленными против человеческого SLC6A20.

Результат оказался похожим на тот, который ранее наблюдали у мышей. Активность NMDA-рецепторов в клетках органоидов приблизилась к нормальным значениям.

Это не означает, что эффективность будущей терапии уже доказана у людей. Органоиды остаются лабораторной моделью и не способны воспроизвести всю сложность человеческого мозга. Тем не менее такое совпадение результатов в двух независимых экспериментальных системах значительно повышает доверие к самому биологическому механизму.

Именно поэтому современные исследования все чаще объединяют модели животных и человеческие органоиды, позволяя проверить, насколько универсальными являются обнаруженные закономерности.

Почему до появления нового лечения еще далеко

После подобных публикаций нередко появляются заголовки о «прорыве в лечении аутизма». Однако сами авторы исследования гораздо осторожнее в своих выводах. Во-первых, речь идет исключительно о доклинической работе. Во-вторых, использованные антисмысловые олигонуклеотиды вводились непосредственно в центральную нервную систему лабораторных животных — это совсем не тот способ применения, который автоматически можно перенести в клиническую практику.

Кроме того, аутизм представляет собой не одно заболевание, а чрезвычайно неоднородную группу состояний. Даже среди пациентов с мутациями SHANK2 или SHANK3 клинические проявления могут значительно различаться. Поэтому невозможно заранее утверждать, что один подход окажется одинаково эффективным для всех.

Авторы также подчеркивают, что работа сосредоточена на одном конкретном механизме — сниженной активности NMDA-рецепторов. Если у пациента ведущую роль играют другие нарушения развития нейронных сетей, такой подход может оказаться менее эффективным.

Именно поэтому следующим этапом должны стать дополнительные исследования безопасности, оптимального способа доставки препарата, продолжительности эффекта и, только после этого, клинические испытания с участием людей.

Что это может изменить в нейробиологии

Несмотря на все ограничения, значение исследования выходит далеко за пределы одной потенциальной терапии. Еще несколько лет назад основное внимание было сосредоточено на поиске способов заменить поврежденный ген или восстановить синтез отсутствующего белка. Сегодня постепенно становится очевидно, что существует и другой путь.

Если дефектный ген нарушил работу целой нейронной сети, возможно, иногда разумнее не пытаться полностью переписать генетическую программу клетки, а восстановить функционирование самой сети.

Такой подход потенциально может оказаться более универсальным. Ведь разные генетические нарушения нередко приводят к одному и тому же конечному результату — сбою в работе определенных сигнальных путей. Если удастся научиться восстанавливать эти пути, область применения подобных методов может оказаться значительно шире одного конкретного заболевания.

Авторы исследования осторожно отмечают, что аналогичная стратегия в будущем может представлять интерес и для других состояний, сопровождающихся сниженной активностью NMDA-рецепторов, включая некоторые формы интеллектуальных нарушений, шизофрении и других нейропсихиатрических заболеваний. Однако сегодня это остается научной гипотезой, которая требует отдельной проверки для каждого заболевания.