Когда мы открываем компьютеры для удаленного соединения друг с другом, моторные нейроны в нашем спинном мозге открывают синаптические пути для физического соединения с нашими мышцами. Мы редко думаем об этих электрических сигналах, проходящих туда и обратно между компьютерами или нашими нейронами и мышцами, пока эти сигналы не будут потеряны.
Болезнь Кеннеди, нервно-мышечное дегенеративное заболевание, поражает 1 из 40 000 мужчин ежегодно. Немногое было сделано в понимании его биологической основы с тех пор, как он был идентифицирован в 1960-х годах, но одним многообещающим примером может быть семейство белков, известных как нейротрофические факторы.
Ученые МГУ Синтия Джордан, профессор программы нейробиологии Колледжа естественных наук, и Кэтрин Халиевски, бывший кандидат наук.D. студент лаборатории Джордана и ведущий автор опубликовал в Journal of Physiology сравнительное исследование, описывающее ключевую роль одного из этих белков в болезни Кеннеди: нейротрофического фактора мозга (BDNF).
"Ходили рассказы о том, что нейротрофические факторы могут замедлять нейродегенеративные заболевания, но чего не хватало, так это понимания того, как они замедляют развитие болезни," Джордан объяснил. "Эта статья и работа Кэтрин обособлены в использовании классических методов нейробиологии, чтобы понять, как BDNF улучшает нервно-мышечную функцию на клеточном уровне."
Моторные нейроны – это клетки, которые передают сигналы от мозга к каждой мышце тела – быстро сокращающиеся мышцы, которые выполняют быстрые, сильные движения, такие как прыжки, и медленно сокращающиеся мышцы, которые выдерживают длительные сокращения, такие как стояние. На каждом этапе пути – от нейрона, вдоль синаптического пути до мышцы – BDNF поддерживает процесс, давая нейронам и мышцам то, что им нужно для соединения, выживания и процветания.
Предыдущие исследования в лаборатории Джордана подсказали исследователям решающую роль BDNF в поддержке путей, пораженных во время болезни Кеннеди, а образцы мышц мышей с этим заболеванием показали резкую потерю BDNF.
"Учитывая, что у нас была потеря BDNF, можем ли мы заменить его и помочь замедлить прогрессирование болезни Кеннеди?" – спросил Халиевский, который следующие два года провел следующие два года, создавая модели трансгенных мышей, которые продуцировали дополнительный мышечный BDNF, переносили болезнь Кеннеди и были самцами, – героический подвиг, учитывая, что вероятность была только 1 из 16 для каждого поколения.
После того, как модели были готовы, первая основная фаза исследования заключалась в наблюдении за их двигательным поведением по мере прогрессирования болезни.
"Первый эксперимент может сделать или разрушить остальную часть исследования," Халиевский сказал. "Мы были счастливы обнаружить, что увеличение BDNF в мышечных клетках замедляет прогрессирование заболевания в два раза по сравнению с животными без дополнительного BDNF, и это момент, когда мы можем сказать, что у нас есть феномен – мышечный BDNF что-то делает."
Затем Халиевский увеличил масштаб соединения между двигательным нейроном и мышцей. Она записала изменения электрических сигналов у больных мышей с повышенным уровнем BDNF с помощью электрофизиологических методов, что является показателем того, как белок улучшает функцию на клеточном уровне.
"Мы использовали тонкие стеклянные электроды, чтобы буквально слушать, как работают двигательные нейроны и мышцы после воздействия BDNF во время болезни," Джордан объяснил. "Никто никогда не делал этого раньше."
Они обнаружили, что BDNF улучшает функцию медленно и быстро сокращающихся мышц в разных точках пути. Для медленно сокращающихся мышц связь между двигательным нейроном и мышцами была улучшена с увеличением мышечного BDNF, открытие, которое совпало с улучшением двигательной функции.
"Но для быстро сокращающихся мышц BDNF не помог так же," Халиевский сказал. "Это в основном улучшило их внутреннюю прочность, а не связь."
Известно, что болезнь Кеннеди нарушает регуляцию ключевых генов, участвующих в нервно-мышечной передаче, включая молекулярные факторы роста, такие как BDNF. Анализ уровня экспрессии 13 различных генов как в медленно, так и в быстро сокращающихся мышцах подтвердил, что мышечный BDNF действует на разные механизмы, улучшая их функцию.
"Не все мышцы устроены одинаково – они выполняют разные функции," Джордан сказал. "Было удивительно видеть, что BDNF по-разному борется с последствиями заболевания в этих двух типах мышц."
Ученые надеются, что новое, механистическое понимание BDNF, которое они предоставили, улучшит терапию пациентов с болезнью Кеннеди.
"Учитывая наши результаты, которые показывают, что BDNF не может улучшить все, только отдельные функции в отдельных мышцах, потребуется коктейль из различных нейротрофических факторов для лечения различных аспектов заболевания, и BDNF является ключевым ингредиентом, который следует учитывать," Халиевский сказал. "Конечная цель работы – передать наши результаты в клиники, чтобы они начали использовать нейротрофические факторы для лечения пациентов с болезнью Кеннеди."