Химия счастья: смоделирован путь «гормона удовольствия» внутри клеток
Ученые НИЦ «Курчатовский институт» создали математическую модель того, как на клеточном уровне в организме человека работает «гормон удовольствия». Они определили сигнальный путь дофаминовых рецепторов, то есть установили последовательность молекул, посредством которых информация от клеточного рецептора передается внутрь клетки. Благодаря полученным данным в будущем можно будет создать имплантируемые диагностические чипы, способные в реальном времени показывать, какие процессы происходят в мозге пациента. Исследование открывает новые возможности для разработки бионических органов, лекарства от депрессии и развития «точной» психиатрии, основанной не только на лечении симптомов, но и на объективном понимании процессов в нервной системе пациента.
Аналого-числовая модель
В НИЦ «Курчатовский институт» разработана математическая модель сигнального пути дофаминового рецептора в нейронах. Кроме классических дифференциальных уравнений, клеточные процессы были описаны с помощью аналоговых электрических схем, где, например, концентрация вещества в клеточной системе соответствовала напряжению в определенной точке электрической цепи. Использование аналоговых электрических схем позволило упростить модель и получить данные, необходимые для разработки будущих бионических систем. К ним относятся, например, нейроимпланты, позволяющие напрямую управлять протезами.
— Сегодня мы стараемся детально понять, какие процессы происходят в нейронах, получаем новую информацию, которая будет нужна для понимания работы мозга и в будущем для разработки лекарств. С другой стороны, мы создаем заделы под перспективные сенсорные системы, которые будут полезны для лечения заболеваний, связанных с нейродегенерацией, — рассказал заместитель начальника отдела биотехнологий и биоэнергетики НИЦ «Курчатовский институт» Павел Готовцев.
Изображение дофаминовых нейронов
Дофамин, который еще называют гормоном удовольствия, — это посредник внутри нервной системы, отвечающий за чувство удовлетворения от достижения поставленной цели. Также он выполняет и другие функции. Например, оказывает влияние на когнитивные способности и работу сердечно-сосудистой системы. Нарушения в сигнальном пути, связанном с дофамином, могут приводить к тяжелым нейродегенеративным заболеваниям и депрессии.
Внутриклеточный сигнальный путь — последовательность молекул, которая возникает в результате взаимодействия рецептора на клеточной стенке или мембране с каким-то веществом. После этого запускается каскад биохимических реакций, которые, по сути, и передают сигнал. Он переходит от молекулы к молекуле. В реальности это — сложнейшая цепь реакций с множеством динамических характеристик, значение которых часто неизвестно ученым. Чтобы описать все эти процессы, и была разработана математическая модель.
Системная биология
Проведенные исследования относятся к системной биологии — подразделу биофизики, который изучает биологические системы в динамике.
Для моделирования сигнального пути специалисты Курчатовского института использовали сравнительно простую аналоговую электрическую цепь, состоящую из транзисторов и резисторов. Различные напряжения на участках этой цепи соответствовали определенным концентрациям вещества в клеточной системе. Данные, полученные от аналогового устройства, учитывались при разработке математической модели. В свою очередь, результаты, рассчитанные с помощью модели, использовались в эксперименте с электрической цепью. То есть оба компонента системы — аналоговое устройство и математическая модель — работали параллельно, между ними происходил постоянный обмен данными.
Специалисты получили информацию о функционировании кальциевого канала — макромолекулы, перекачивающей кальций с одной стороны клеточной мембраны на другую. Этот процесс вызывает изменения тока ионов кальция в канале под действием дофаминового рецептора. Данные исследования позволят в перспективе анализировать изменения в работе нейронов при патологиях, связанных с нарушением дофаминового сигнального пути.
— У технологии моделирования клеточных процессов есть важное практическое значение, — отметил Павел Готовцев. — В будущем на ее основе можно будет создать имплантируемые чипы, которые смогут анализировать концентрацию веществ во внеклеточной среде. Например, концентрацию нейромедиаторов в спинномозговой жидкости. По этим данным, моделируя процессы в нервной системе с помощью электрической цепи, можно будет в реальном времени получать информацию о том, что происходит внутри клеток, не нарушая их целостности.
По словам ученого, такой диагностический чип можно будет установить больному и узнать, например, как у него протекают нейродегенеративные процессы. Это даст возможность точнее подобрать подходы к терапии заболевания. Полученную информацию также можно будет использовать и при разработке лекарств и методов терапии нейродегенеративных заболеваний.
Точная психиатрия
Основная ценность работы в сопоставлении между собой различных состояний живой системы при помощи эквивалентной электрической схемы на основе транзисторов, считает директор НОЦ инфохимии университета ИТМО (вуз — участник проекта повышения конкурентоспособности образования «5-100») Екатерина Скорб.
— Фактически это открывает путь к соединению живых и неживых систем, а также к созданию бионических устройств, вживляемых в организм, — сказала она.
По мнению специалиста, работа ученых Курчатовского института имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Для фундаментальных исследований важна возможность описать сложные паттерны ионных токов с помощью небольшого числа параметров. Для прикладной же науки открывается путь к инженерному оформлению предложенной схемы при создании искусственных органов, разъяснила Екатерина Скорб.
— Авторы работы предложили новый подход к исследованиям функционирования нейромедиаторных систем головного мозга, а следовательно, моделированию и модерированию внеклеточной концентрации не только дофамина, но и других нейромедиаторов — таких как серотонин и норадреналин, — сказал профессор университета Берна (Швейцария), приглашенный профессор Международного научно-образовательного центра нейропсихиатрии Самарского государственного медицинского университета Пол Камминг.
В дальнейшем это позволит ученым и врачам разрабатывать подходы доказательной психофармакотерапии, считает он. К примеру, появится возможность направленно лечить депрессии различной этиологии и патогенеза. Также станет возможно справляться с другими нервно-психическими заболеваниями, ориентируясь не только на клинические проявления состояний пациентов, но и на поведение нейромедиаторных систем.
Таким образом, можно будет развивать так называемую точную медицину в области нейропсихиатрии, отметил эксперт.
