1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова
  4. T. 107, № 9, 2021

Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2021, T. 107, № 9, стр. 1059-1076

Модели черепно-мозговой травмы у зебраданио (Zebrafish, Danio rerio)

В. Я. Бабченко 1, 2, *, А. С. Белова 1, 2, А. А. Баширзаде 1, М. А. Тихонова 1, 2, К. А. Демин 3, 4, 5, К. Н. Забегалов 6, Е. В. Петерсен 7, А. В. Калуев 1, 2, 6, 8, Т. Г. Амстиславская 1, 2, **

1 Новосибирский государственный университет
Новосибирск, Россия

2 Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины
Новосибирск, Россия

3 Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

4 Российский научный центр радиологии и хирургических технологий им. акад. А.М. Гранова Минздрава России
Санкт-Петербург, Россия

5 Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова
Санкт-Петербург, Россия

6 Научно-технологический университет “Сириус”
Сочи, Россия

7 Московский физико-технический институт
Москва, Россия

8 Уральский федеральный университет
Екатеринбург, Россия

* E-mail: v.babchenko@g.nsu.ru
** E-mail: amstislavskayatg@physiol.ru

Поступила в редакцию 16.04.2021
После доработки 02.06.2021
Принята к публикации 21.06.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В современной медицине отмечается повышенный интерес к изучению патогенеза черепно-мозговой травмы (ЧМТ). Это продиктовано, прежде всего, высоким уровнем госпитализаций пациентов с данной патологией, большой летальностью, а также несовершенством существующих методов лечения. Для большего понимания патогенеза ЧМТ необходима правильная постановка эксперимента, которая, в свою очередь, начинается с правильного подбора модели на животных. Рыба зебраданио (Danio rerio) показала себя как перспективный организм для исследований молекулярных событий, лежащих в основе патогенеза ЧМТ. Среди преимуществ данного модельного организма – высокая степень генетической гомологии с человеком, относительно низкая стоимость, высокий нейрорегенераторный потенциал. Патогенез ЧМТ включает в себя ряд процессов: первичное травматическое повреждение, нейровоспаление, нейродегенерацию, отек мозга, и нейрорегенерацию. На сегодняшний день уже установлены многие важнейшие события вышеперечисленных процессов на грызунах. Однако молекулярные процессы патогенеза ЧМТ во многом остаются загадкой для нашего понимания. В данном обзоре рассмотрены экспериментальные модели ЧМТ на рыбах зебраданио, их преимущества и недостатки по отношению к другим модельным организмам. Также в обзоре представлены сводные данные по патофизиологии, молекулярной биологии каждого из вышеназванных процессов патогенеза ЧМТ. Приведен ряд примеров экспериментальной терапии ЧМТ на зебраданио, отражающих перспективу развития этого направления. Сделан вывод о перспективах использования зебраданио в качестве модельного объекта для исследований патогенеза ЧМТ.

Ключевые слова: нейровоспаление, нейродегенерация, нейрорегенерация, отек мозга, черепно-мозговая травма, зебраданио, терапия черепно-мозговой травмы

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) представляет собой совокупность патофизиологических и морфологических изменений функции мозга, вызванных внешним воздействием, например – ударом, пенетрацией или сотрясением [1]. ЧМТ является острейшей проблемой мирового здравоохранения, число госпитализаций и посещений отделений неотложной помощи пациентами данного профиля составило 100 и 247 посещений, соответственно, на 100 000 населения [2]. В США ежегодно 1.7 млн человек страдают от ЧМТ, около 80% из них классифицируются как легкая ЧМТ, а смертность достигает 3% [3]. Необходимость курации пациентов с ЧМТ ставит перед исследователями задачу поиска механизмов развития клинической картины ЧМТ, а также ее потенциальной терапии. Для этого важна адекватная постановка эксперимента, которая невозможна без правильного подбора экспериментальной модели. По этическим причинам возможности исследований на человеке сильно ограничены, поэтому большая часть научных работ выполнена на животных, в первую очередь, на грызунах. Таким образом, полученные на модельных организмах данные являются ключом к пониманию патофизиологии ЧМТ и разработке новых подходов к ее лечению [4, 5]. В табл. 1 приведены характеристики различных экспериметальных моделей ЧМТ.

Таблица 1.  

Экспериментальные модели ЧМТ на животных

Модель Преимущества Ссылки
Мыши Удобный объект для молекулярно-генетических исследований
Генетическая гомология с человеком 80%
Существование многих линий с различными характеристиками ЦНС 		106
Крысы Большой размер головы является удобным для моделирования падением свободного груза
Удобство для когнитивных исследований
Прочный череп
Плотные структуры черепа 		101
Рыбы зебраданио Низкая стоимость особей по отношению к другим животным
Высокий нейрорегенераторный потенциал после ЧМТ, что позволяет исследовать его механизмы
Генетическая гомология с человеком 70%
Удобство отслеживания и документации течения ЧМТ в режиме реального времени
Сходство с млекопитающими в организации генов, участвующих в функционировании иммунной системы и потенциально вовлеченных в нейровоспаление при ЧМТ 		10
6
107
7
8

Клиническая картина ЧМТ включает в себя общемозговую симптоматику (головную боль, тошноту, головокружение, нарушения сознания) и фокальную неврологическую симптоматику.

МОДЕЛИ ЧМТ НА ЗЕБРАДАНИО

Зебраданио является удобным экспериментальным животным в нейробиологии в силу высокой генетической гомологии с геномом человека (порядка 70%) и физиологического сходства основных систем органов и тканей. Большой спектр молекулярно-генетических средств манипуляции создает этому животному конкурентное преимущество по сравнению с другими модельными животными в данной сфере исследований. В частности, появилась возможность отслеживания и документации течения ЧМТ в режиме реального времени благодаря использованию рыб с конкретными и легко идентифицируемыми флуоресцентными репортерными трансгенами. Помимо сходства в организации генов, потенциально вовлеченных в процесс нейровоспаления, зебраданио обладает высоким нейрорегенераторным потенциалом, что закономерно делает ее привлекательным объектом для исследований вопросов нейрорегенерации при различного рода неврологических заболеваниях [6–8], в том числе ЧМТ.

Один из первых, наиболее распространенных и простых методов индукции ЧМТ у зебраданио – игольчатая травма [9, 10]. Согласно данной методике, после анестезии рыбу помещают в разрез пропитанной раствором анестетика трикаина губки. Под диссекционным микроскопом инсулиновым шприцем вертикально (не глубже 2 мм) пронизывают медиальный отдел теленцефалона, а травмированную рыбу помещают в отдельный контейнер для восстановления. Выживаемость при данной модели ЧМТ обычно составляет 97%. С ее помощью были оценены клеточный ответ и молекулярные механизмы, вовлеченные в процесс репарации и регенерации мозга [9].

В другом похожем протоколе канюля диаметром 300 мкм вводится через ноздрю (на глубину 6–8 мм), вдоль рострокаудальной оси тела, приникая через обонятельную луковицу в каудальную часть теленцефалона [11]. Выживаемость в данной модели составляет более 90%, и с ее помощью была произведена оценка реактивной пролиферации и миграции нейроглии в ответ на механическое повреждение ткани мозга [11].

Модель ЧМТ мозжечка у зебраданио сходна с предыдущими, а ориентиром для введения инсулиновой иглы в данном случае служит пигментация кожи. Игла погружается в пластиковую трубку (край которой служит ограничителем глубины погружения). Игла устанавливается в полностью вертикальное положение и вводится на глубину 1.5 мм. При помощи данной методики формирования ЧМТ изучены молекулярные сети белок-белковых сигнальных взаимодействий, вовлеченных в процессы аксонального роста, репарации, ангиогенеза, нейрогенеза и нейровоспаления [12].

Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук для индукции механического повреждения мозга рыбы оказывает термические и механические эффекты на ткани. Аппертура ультразвукового трансдьюсера составляет 125 мм в диаметре и 100 мм в длину. Встроенный в систему сканер Sonix RP Scanner (BK Ultrasound, Richmond, Канада) позволяет отслеживать в реальном времени критические для ткани параметры воздействия. Для выравнивания головы и трансдъюссера используют ультразвуковой визуализационный модуль. Фокальный пик акустического давления при максимальной силе испускания может составлять 20 Мпа. В данной модели вызываются значительные нарушения поведения рыб, в том числе гиполокомоция (снижение дистанции плавания и скорости), а также изменения в паттерне экспрессии ряда генов мозга. Так, например, установлено реактивное усиление экспрессии каспазы-3 и β-APP, а также изменение экспрессии генов микротрубочек (β-III tubulin) и нейрофиламентов (NF200), что приводит к нарушению аксонального транспорта и аксональному отеку [13].

Еще один эффективный метод постановки ЧМТ на зебраданио был адаптирован с модели на крысах и основывается на падении свободного груза (в качестве механического воздействия) на голову рыбы [14]. Данная модель позволила реализовать диффузную, не пенетрирующую (т.е., без деструкции кости и точечного, глубокого разрушения ткани мозга) модель ЧМТ. Для этого был сконструирован аппарат, представляющий собой пластиковую трубку (с наружным диаметром 12.7 мм и внутренним 4.7 мм), удерживающуюся с помощью зажима на штативе. На основание штатива ставится аквариум, заполненный водой, на который помещается губка, в которой фиксируется рыба. После анестезии, голова рыбы помещается под трубку и выравнивается, а 4.5-миллиметровый стальной груз весом 0.33 г, выпадая из трубки и развивая скорость 1.5 м/с, достигает черепа рыбы с ударной силой 35 мДж. После данной процедуры рыба сразу выпускается в аквариум под губкой. На данной модели проанализированы молекулярные механизмы, вовлекаемые в ответ на повреждение, и установлено, что на 3-й день после ЧМТ приходится пик воспалительного ответа, а на 21-й день запускается процесс нейрорегенерации [14].

Помимо взрослых рыб, описаны также модели ЧМТ у личинок зебраданио. Так, вторичное повреждение ткани мозга продемонстрировано на трехдневных личинках зебраданио, которые выдерживались в растворах с концентрациями глутамата 5, 10 и 20 мкМ, а также в растворах антагониста рецепторов глутамата МК-801 в концентрациях 100, 200 и 400 нМ. Были оценены характеристики выживаемости, поведения и нейроапоптоза в разных группах, и отмечен значительный эффект в отношении выживаемости нейронов и поведения рыб при концентрациях МК-801 равных 200 и 400 нМ [4].

Еще одна химически обусловленная модель ЧМТ на личинках зебраданио основана на применениии аторвастатина (1 мкМ) в опытах на эмбрионах, что приводило к разрушению мозговых сосудов и формированию у личинок внутримозговой гематомы, напоминая клиническую ЧМТ, осложненную внутримозговой геморрагией [15].

Наконец, еще один подход к моделированию осложненной гематомой ЧМТ на личинках зебраданио основан на генетических манипуляциях гена arhgef7, который кодирует белок Rac GEF βpix, вовлеченный в регуляцию ангиогенеза и структурной целостности сосудистой стенки [16]. В этой модели используются линии с мутацией в данном гене, что приводит к разрушению стенок мозговых сосудов и развитию гематомы. На данной модели изучена роль посттравматического кровоизлияния в процессах апоптоза, нейровоспаления, повреждения ткани мозга, а также в изменении локомоторной функции [15].

ПАТОГЕНЕЗ ЧМТ

Патогенез ЧМТ включает в себя ряд неспецифических компонентов, таких как нейровоспаление, отек, нейродегенерация, нейрорегенерация, которые характерны и для других патологий ЦНС, в частности, ишемического повреждения. Неспецифические компоненты патогенеза ЧМТ определяют отсроченное течение заболевания и составляют вторичное повреждение ткани. Однако существует и ряд специфических компонентов, отличающих патогенез ЧМТ от других патологий любого рода, они будут рассмотрены в конце раздела на примере сравнения с ишемией.

1. Нейровоспаление

Нейровоспаление является одним из ведущих компонентов патогенеза ЧМТ. Значительную роль в ЧМТ-индуцированном нейровоспалении играет продукция провоспалительных цитокинов. Например, у крыс показана роль интерлейкина (ИЛ) ИЛ-1β как одного из ключевых участников ЧМТ-индуцированного нейровоспаления, поскольку выброс данного цитокина стимулировал синтез и усиление активности матриксных металлопротеаз 2-го и 9-го типов (ММР-2 и -9) в зоне повреждения [17], и продемонстрирована важная роль ИЛ-1 в усилении проницаемости гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и нейроапоптоза при ЧМТ [18].

Микроглия, являясь мозговым резидентным макрофагом, обладает способностью к фагоцитозу, продукции цитокинов и презентации антигенов [19]. В контексте воспаления микроглия существует в 2-х формах (фенотипах) – М1 и М2. М1-микроглия продуцирует провоспалительные цитокины, например, фактор некроза опухоли (ФНО-α), ИЛ-1, ИЛ-6 и индуцибельную синтазу оксида азота (iNOS), тогда как М2-микроглия выделяет противовоспалительные факторы (ИЛ-6, ИЛ-4 и ИЛ-13, а также трансформирующий фактор роста (ТФРβ). Данное явление называется функциональной поляризацией микроглии и является ключевым компонентом нейровоспаления, отека и в некоторой мере нейродегенерации [20]. М1-микроглия способна к продукции оксида азота и реактивных форм кислорода (РФК), обладая цитотоксическими свойствами [21]. Функциональная поляризация в сторону М1-подтипа микроглии обеспечивается действием внешних (липосахарид, факторы транскрипции IRF 7, 8) [22, 23] и внутренних сигнальных молекул (LSN2, miRNA-155) [28]. В то же время фактор транскрипции IRF 3 [24], miRNA-124 [25] и Rho-киназа обеспечивают функциональную поляризацию в сторону М2-микроглии [26]. При ЧМТ в окружающую ткань выбрасывается большое количество фрагментов клеточных и внеклеточных структур, что является молекулярным профилем биологической опасности (danger-associated molecular patterns, DAMP). Микроглия обладает определенным набором рецепторов (TLR), распознающих молекулы, к которым относятся липосахарид, осколки РНК, ДНК, шапероны, HMGB1 и CpG-мотивы (обычно ассоциированные с микробным геномом), что активирует микроглию, наработку провоспалительных цитокинов и, в итоге, запускает каскад нейровоспаления [27, 28]. Стимуляция TLR приводит к активации микроглии и высвобождению провоспалительных цитокинов (ФНО-α, ИЛ-6, CXCL1), а блокировка TLR – к снижению или полному прекращению их высвобождения [29]. Активированная микроглия за счет выброса провоспалительных цитокинов (ИЛ-1 и ФНО-α) воздействует на астроциты, приводя к их активации, усилению экспрессии TLR и выбросу провоспалительных цитокинов [30]. На данный момент известно, что стимуляция TLR3 ведет к продукции ИЛ-6, 10, 12, CXCL-10, интерферона (ИНФ)β и ФНОα, TLR4 – продукции ИЛ-10, CXCL10, а TLR2 – продукции ИЛ-6 и ИЛ-10 [31]. Помимо этого, активированная микроглия высвобождает M-CSF, мозговой нейротрофин BDNF, нейротрофин-3, что способствует трансмиграции лейкоцитов из системного кровотока [32–34].

Астроциты являются участниками нейровоспалительного каскада и содержат RIG-подобные рецепторы (RLR), активация которых ведет к фосфорилированию транскрипционного фактора IRF3 и высвобождению интерферона 1-го типа (ИНФ-1). Помимо этого, усиливается экспрессия маркеров активированных астроцитов GFAP (глиальный фибриллярный кислый белок) и виментина [35]. Активированные астроциты становятся источниками провоспалительных цитокинов, в том числе ИЛ-1, ИЛ-6, MIP-2, MCP-1, ФНО-α, ИНФγ, CCL 2, 3, 5, а также Ig-подобных адгезивных молекул (ICAM-1, VCAM-1) и главного комплекса гистосовместимости MHCII на своей поверхности в ответ на активацию TLR [36–38]. Передача сигнала от рецепторов внутрь астроцитов осуществляется через JAK1–STAT1, MyD88, NF-kB, MAPK-опосредованные сигнальные пути, которые активируются в ответ на стимуляцию TLR4. Активация данных сигнальных путей ведет к усилению транскрипции провоспалительных цитокинов, MMP-9, VCAM-1 [39]. Параллельно, активированные астроциты морфологически изменяются, пролиферируют и заполняют собой зону поражения. Данный процесс называется астроглиозом, а сформированная таким образом структура – глиальным рубцом [40]. Показано, что реактивный глиоз в зоне поражения спинного мозга мыши способствовал репаративным процессам и функциональному восстановлению [41].

Активированный провоспалительными цитокинами (преимущественно ИЛ-1 и ФНО-α, ИНФγ) эндотелий усиливает экспрессию Ig-подобных адгезивных белков (VCAM-1, ICAM-1, PECAM-1) на своей поверхности, что служит возможностью для лейкоцитов проникнуть через ГЭБ в зону деструкции [42–44]. Проникающий клеточный состав представлен лимфоцитами (Т и В), моноцитами и нейтрофилами [44–46]. Самыми ранними клетками являются нейтрофилы, которые появляются в мозговой паренхиме на 3-и–5-е сутки, однако в виде периваскулярного инфильтрата они видны уже через 24 ч [45]. Количество CD14+ клеток (моноцитарные макрофаги) в мозговой паренхиме достигает пика на 4-е–8-е сутки после травмы и удерживается таковым недели [46]. При этом нейтрофилы инфильтрируют в первую очередь ворсинчатые сплетения желудочков. Ворсинчатые сплетения желудочков активно продуцируют большое количество хемокинов после травмы (CINC-1, CXCL1, CINC-2α или CXCL3, и CINC-3 или CXCL2), которые, в свою очередь, служат хемоаттрактантами для нейтрофилов. Предположительно, из этой зоны нейтрофилы мигрируют к очагу поражения [47]. Связывание ICAM-1 с белком LFA-1 на поверхности лейкоцита приводит к активации протеинкиназы С, которая фосфорилирует белки цитоскелета, обеспечивая их реорганизацию, что необходимо для трансмиграции клетки через ГЭБ [48].

Система комплемента, компоненты которой проникают через поврежденный ГЭБ в зону нейровоспаления, оказывает цитотоксический и деструктивный эффект на клетки и ткань. В цереброспинальной жидкости повышены уровни С3-компонента, комплекса С5b-С9 и фактора В [49, 50]. Молекула CD59 является ключевым регулятором формирования МАК (мембраноатакующего комплекса), защищающим ткань от излишнего повреждения. Выключение молекулы CD59 приведет к ухудшению состояния ткани после ЧМТ [51]. Таким образом, комплемент является важным компонентом нейровоспаления.

Роль ММР в ЦНС сводится к регуляции нейрональной миграции в зону повреждения, деградации ингибирующих аксональный рост протеогликанов и регуляции построения олигодендроглиоцитарных отростков вдоль растущих аксонов в период миелогенеза [52, 53]. В контексте нейровоспалительного процесса установлена роль MMP-2 и -9 как факторов, способствующих повышению проницаемости ГЭБ и трансмиграции лейкоцитов в зону воспаления. Продукция ММР осуществляется сосудистым эндотелием и резидентными глиальными клетками. Механизм действия ММР на ГЭБ основан на снижении экспрессии адгезивных белков между эндотелиоцитами, в частности ZO-1 [55, 56]. Однако на данный момент сведения о роли ММР в нейровоспалении на моделях зебраданио отсутствуют.

2. Нейрорегенерация

Зебраданио обладают высоким потенциалом к нейрорегенерации (по сравнению с млекопитающими), что делает их подходящими объектами для исследований нейрорегенераторных процессов при ЧМТ и нейродегенеративных заболеваниях. Это обусловлено и большим количеством зон нейрогенеза в мозге зебраданио, в том числе обонятельные луковицы, дорзальный теленцефалон (регион, гомологичный гиппокампу млекопитающих), преоптическая область, дорзальная зона перивентрикулярного гипоталамуса, оптический тектум, продольный валик, вагальная долька, паренхима вокруг ромбэнцефалического желудочка и в области продолговатого мозга, расположенной латерально от дорзального моторного ядра блуждающего нерва, а также в мозжечке. Напротив, у млекопитающих существуют лишь две основные зоны нейрогенеза во взрослом состоянии – субвентрикулярная (в боковых желудочках) и субгранулярная (в зубчатой извилине) [56–59]. В отличие от млекопитающих, у которых пролиферативный процесс носит глиальный характер и превалирует в зоне поражения, у зебраданио преобладает пролиферация в нейрогенных зонах, откуда нейрональные предшественники впоследствии мигрируют в зону поражения. Глиоз (усиленная пролиферация глии в зоне поражения) у рыб не выражен и не несет патологического характера, в отличие от млекопитающих [58, 60]. Радиальные глиоциты зебраданио несут на себе маркерный белок her4.1, а нейрональные клетки-предшественники экспрессируют другой набор маркерных белков, по которым их возможно распознать (asc 11a, delta D, и T-box brain protein/Tbr1). У взрослых рыб her 4.1-позитивные радиальные глиоциты обладают потенциалом дифференцировки в нейробласты [10, 61, 62].

В целом, воспаление имеет сложные взаимоотношения с нейрорегенерацией. С одной стороны, нейровоспаление препятствует нейрорегенерации, усугубляя повреждение ткани, но с другой, может служить стимулятором для процесса нейрогенеза. Установлены сложные взаимодействия между сигнальными путями нейрогенеза, ангиогенеза, воспаления и аксонального роста. Как указывалось ранее, воспаление служит стимулятором нейрогенеза. Среди этих сигнальных путей наибольшее количество опосредовано PI3K, PAK2 и PLXNA3 [12]. BDNF – давно известный нейротрофин, мишенями которого являются TrkB- и p75NTR-рецепторы, через которые данный фактор реализует свое участие в процессах аксонального роста, нейрогенеза, нейронального выживания, нейрональной миграции, миелинизации, дифференцировки и синаптической пластичности [63]. Отмечается повышенная экспрессия BDNF в регенеративных зонах мозга зебраданио, а его мРНК обнаружена в радиальных глиоцитах и пролиферирующих нейробластах [64].

Анализ экспрессии большого количества мозговых генов выявил изменения экспрессии на разные сроки (на 3-и и 21-е дни) после ЧМТ, в том числе генов сигнальных путей MAPK, Notch, цАМФ и других. Практически все эти гены относятся к регуляторам выживаемости нейронов, аксонального роста, апоптоза и репарации ткани. Третий день после повреждения является пиковым для экспрессии генов, связанных со стресс-реакцией на повреждение (MAPK, р53, Notch1), а на 21-й день отмечается преобладание экспрессии генов, связанных с нейрорегенеративными процессами, к которым относятся гены компонентов промежуточных филаментов, Notch1 и Junb [14]. Наконец, МMP-2 и -9 также важны для развития нейровоспаления (см. выше) и у взрослых зебраданио усиливают аксональный рост [65].

3. Нейродегенерация

В клинике показано наличие корреляционной связи между ЧМТ и развитием болезни Альцгеймера (БА) [66–68]. На моделях у крыс показано, что ЧМТ провоцирует снижение количества нейронов в гиппокампе, что может объяснить ретроградную амнезию после ЧМТ [69]. Нейроапоптоз слагается из ряда событий, в том числе протеолиза белков цитоскелета [70] и оксидативного стресса, который возникает в течение первого часа после ЧМТ как следствие митохондриальной дисфункции и нарушения внутриклеточного кальциевого баланса. Свободные радикалы повреждают генетический материал, белковые молекулы, липидные молекулы мембран [71–74]. Основой митохондриальной дисфункции служат нарушения транспорта электронов электронотранспортной цепи, снижение утилизации глюкозы и снижение экспрессии белков комплекса цитохром С-оксидазы I, II, III [75]. Другим событием становится отложение белков (β-амилоида, нейрофиламентных белков и α-синуклеина) вдоль всего белого вещества и в других компартментах пораженного мозга, что еще раз подтверждает роль ЧМТ как фактора риска в развитии БА и паркинсонизма [76].

Хроническая травматическая энцефалопатия, сопровождаемая таупатией, атрофическими изменениями в лобной и височной долях и аксонопатией, была зарегистрирована у солдат и спортсменов, чей спорт был связан с травматизацией головы [77]. Таупатии и аккумуляция белка TDP-43, наряду с аккумуляцией β-амилоида, являются важнейшими событиями в патогенезе нейродегенеративных расстройств БА. Зебраданио, экспрессирующие мутантную форму tau-белка, демонстрируют все патологические особенности таупатии на поведенческом, тканевом и клеточном уровнях [78]. Используя ультразвуковую установку (см. выше) для вызова ЧМТ у зебраданио, показано, что в мозге рыб повышаются содержание каспазы-3, NF160 (нейрофиламента, обеспечивающего структурную поддержку аксонов), микротрубочкового β-III тубулина (цитоскелетного белка, задействованного в аксональном росте и транспорте) в зоне аксонального отека и деструкции, а также накопление β-амилоида [13].

Накопление внеклеточного глутамата при ЧМТ возникает как следствие снижения экспрессии его транспортеров (GLT-1, GLAST) в астроцитах, нарушения их работы (на фоне снижения градиента ионов Na+/K+), а также усиленного высвобождения глутамата из аксональных терминалей во внеклеточное пространство. Гиперстимуляция ионотропных NMDA-рецепторов глутамата приводила к усиленному (или даже бесконтрольному) поступлению ионов Са2+ внутрь клетки и эксайтотоксичности. Также нейротоксичность может осуществляться и через метаботропные рецепторы глутамата (mGluR 1-8), в итоге формируя отек, ацидоз клетки, оксидативный стресс и вазоспазм. Данный каскад имеет положительную обратную связь, а следовательно, склонен к формированию порочного круга и вовлечению все большего объема поражения ткани [79, 80]. На личинках зебраданио показано, что MK-801 и ингибитор кальпаина MDL-28170 улучшают локомоторную функцию рыб, свидетельствуя об эксайтотоксичности как о значимом событии в патогенезе вторичного повреждения ткани мозга при ЧМТ [81].

4. Отек мозга

Главные концептуальные представления о роли отека мозга при ЧМТ начали развиваться еще в середине 20 века, когда отек мозга был поделен на цитотоксический и вазогенный подтипы [82]. В клинической картине ЧМТ за зоной травматического поражения сразу следует зона перифокального отека мозга, которая может расширяться на все полушарие и компримировать весь мозг, что может стать причиной комы. Развивается отек мозга в первые 24 ч после ЧМТ. В зоне травматического поражения наблюдается раневой канал или очаг контузии (некроз и деструкция ткани) с геморрагической трансформацией в этой зоне. Далее следуют организация содержимого зоны поражения и образование глиального рубца. Через 48 ч в зоне отека появляются макрофаги. В белом веществе появляются участки отека в виде вакуолей, а в области нейропиля наблюдаются реактивные астроциты. Долгосрочный отек (несколько месяцев) ведет к периваскулярному появлению крупных, разбухших реактивных астроцитов – гемистоцитов. Нейронофагия развивается на 12-й–24-й час после ЧМТ, на 24-й–48-й час развивается отек и разбухание аксонов вокруг поражения и даже на отдалении (аналогично диффузному аксональному повреждению). На 5-й–6-й месяцы развивается отек (разбухание) и дегенерация нейронов [83].

Отек мозга способствует демиелинизации, тем самым усугубляя нейродегенерацию [84]. Повреждение ГЭБ является основной причиной накопления жидкости в межклеточной ткани и как следствие – увеличения объема мозга [85].

В 2000-х годах в структуру концепций патогенеза отека входят представления о количественных и функциональных изменениях со стороны ионных каналах и белков плотных межклеточных соединений ГЭБ. Так, повышенная экспрессия белка аквапорина 4 (AQP4) в астроцитах периишемизированной зоны, эпендимоцитах является патогенетическим фактором вазогенного отека [86]. Вода, свободные ионы и белки плазмы под действием гидравлического давления внутри капилляров, а также осмотического и онкотического градиентов давлений подвергаются транссудации из просвета сосуда в межклеточное пространство [86–88].

Отмечается также значимость SUR1-рецепторов в патогенезе цитотоксического отека при ЧМТ, так как активации этих каналов способствует истощение запасов АТФ внутри клетки, а результатом их активации становится неконтролируемое поступление ионов и воды внутрь клетки. Экспрессируются SUR1-рецепторы в астроцитах, нейронах и капиллярах [89]. Эндотелиальный Ca+-канал TRPV4 также задействован в каскаде отека и экссудации плазмы в интерстиций. Его активация приводит к снижению экспрессии молекул межклеточных соединений (claudin-1, -3, -4, -5, -7 и -8) на эндотелиальных клетках, что служит еще одним фактором развития вазогенного отека [90]. Установлена повышенная экспрессия AQP4 в астроцитах как причина цитотоксического отека: через водный канал, который образует данный белок в мембране, внутрь астроцитов устремляются компоненты плазмы (вода, ионы и белки) [91]. На примере модели гипергликемии крыс установлено, что усиление деградации белка окклюдина ведет к нарастанию отека [92]. Определена значимость провоспалительных цитокинов в зоне повреждения (ИЛ-1, -6, ФНО-α) для усиления экспрессии белка AQP4. Как указанно выше, усиленная экспрессия AQP4 является молекулярным маркером отека, подчеркивая взаимосвязь нейровоспаления и отека мозга [93]. На модели ЧМТ у крыс также проведена оценка проницаемости ГЭБ, его структурной целостности и экспрессии белков межклеточных соединений (окклюдин, клаудин-5, ZO-1). Экспрессия белков межклеточных соединений после ЧМТ была заметно ниже, чем в контрольной группе, а проницаемость ГЭБ и отек мозга – выше [94].

Несомненно, патогенезы ЧМТ и церебральной ишемии во много сходны. Но в отличие от ишемического повреждения при ЧМТ происходит одномоментное воздействие механического фактора или силы ускорения. В результате возникает одномоментное механическое разрушение ткани или первичное травматическое повреждение. В зоне поражения разрушаются мембраны клеток и стенки сосудов, а также возникают разрывы аксонов. Последнее особенно характерно для воздействия силы ускорения. Весь этот комплекс изменений при травматическом поражении наблюдается за мгновение. При ишемизации нарастает дефицит энергетического субстрата, местный метаболический ацидоз и ионные нарушения. Некроз в зоне развивается лишь несколько минут спустя. Однако установлено, что через некоторое время в перитравматической зоне (пенумбре) развивается ишемия, это позволяет нам говорить о последней как об одном из механизмов вторичного повреждения ткани [95].

ТЕРАПИЯ ЧМТ У ЗЕБРАДАНИО

Возможность реконструкции структуры поврежденной ткани изучена на модели игловой ЧМТ у зебраданио, в которой рыбам в место повреждения в виде гидрогелевой смеси вводился нанопептидный каркас для облегчения ангиогенеза и нейрогенеза. Нанопептид RADA16-SVVYGLR претерпевал самосборку, образуя сети нанофибрилл, которые контролировали физико-химические факторы микросреды в зоне поражения (рН, ионный состав), и такой каркас поддерживал эндотелиоциты, образуя трубчатую структуру и облегчая ангиогенез и миграцию нейральных стволовых клеток [96]. Другая подобная методика основывалась на трехмерной печати, при которой нейрональные клетки-предшественники погружаются в гидрогель, который распечатывается и встраивается в головной мозг рыб, способствуя нейрональному росту и регенерации ЦНС после ЧМТ [97].

Используемое в лечении БА и паркинсонизма вещество Cytidine 5'-Diphosphocholine (CDP-choline) продемонстрировало широкий спектр терапевтической активности на модели ЧМТ, индуцируемой у личинок зебраданио методом введения иглы в дорзальную часть правой стороны заднего мозга. Данный препарат индуцировал умеренную экспрессию провоспалительных и противовоспалительных цитокинов в зоне поражения, что стимулировало миграцию микроглиальных клеток в эту зону и аккумуляцию в ней. Активированные микроглиальные клетки осуществляли клиренс в зоне поражения, а противовоспалительные цитокины способствовали снижению воспаления и процессам нейрорегенерации в пораженной области, также подавляя нейроапоптоз [96].

Наконец, определенные надежды возлагаются на стволовые клеточные технологии в сфере регенеративной медицины. Одним из возможных направлений работы в этой среде – это периваскулярные клетки пупочного тяжа. На модели ЧМТ, индуцированной ультразвуком у зебраданио, показано, что подсадка данных клеток улучшает показатели локомоторной активности и снижает тревожное поведение, астроглиоз и апоптоз [97].

СОПОСТАВЛЕНИЕ ЗЕБРАДАНИО И ГРЫЗУНОВ КАК МОДЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ

На сегодняшний день модель латерального гидродинамического удара (LFP) на грызунах является классической. Данный метод позволяет смоделировать структурно-функциональные, поведенческие и неврологические изменения, аналогичные наблюдаемым в клинической практике. Данный метод позволяет выбирать угол, силу и точку приложения воздействия [98, 99]. В работе Shalini Das Gupta и соавт. продемонстрирована возможность использования микроРНК (miR-9-3p, miR-136-3p) как маркеров ЧМТ, при этом концентрация данных маркеров в плазме повышалась как среди пациентов, так и среди группы травмированных животных [100]. С помощью этого метода экспериментально была вызвана эпилептиформная ЭЭГ-активность у животных, которая соответствовала таковой у пациентов после ЧМТ по данным метода электрокортикографии [101]. Это доказывает валидность модели LFP для прямой двунаправленной трансляции в клинику.

Модель индуцируемой ультразвуком ЧМТ у забраданио также позволяет менять угол, точку приложения и силу воздействия [13]. На модели ультразвук-индуцируемой ЧМТ у зебраданио была успешно вызвана эпилептиформная ЭЭГ-активность, записанная с поверхности мозга рыбы [102]. Специфические поведенческие тесты позволяют оценить функциональные изменения в работе головного мозга животного путем скрининга таких параметров как двигательная активность, пространственная память, тревожность [14]. Таким образом, зебраданио также может претендовать на звание валидной модели ЧМТ для прямой двунаправленной трансляции в клинику.

Отличительной особенностью, ограничивающей прямые трансляционные возможности зебраданио, является менее четкая дифференцировка мозга на отделы по сравнению с млекопитающими. Однако все же существует достаточная для молекулярно-клеточных исследований гомология между имеющимися структурами головного мозга зебраданио и млекопитающих. Так, субпалеум является гомологом стриарных образований у млекопитающих, а дорзальный палеум – гиппокампа [103]. Помимо того, в силу высокой регенераторной способности не возникает четкой картины отдаленных последствий вторичного травматического повреждения мозга, таких как глиальный рубец, гибель нейронов. При этом именно вторичное травматическое повреждение составляет основу стойкого неврологического дефицита у пациентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные тренды в трансляционной биомедицине ставят в приоритет задачу корректного подбора модельного организма. При этом необходимо принимать во внимание расход финансовых средств на приобретение и содержание животного, его анатомо-физиологические особенности, корректность трансляции полученных результатов с модельного животного на человека, молекулярно-генетические особенности вида, а также биоэтические аспекты работы in vivo. Как модельный организм зебраданио обладает рядом неоспоримых преимуществ. Большое количество разработанных поведенческих тестов и методик работы с геномом, хорошая возможность трансляции результатов молекулярно-генетических и даже поведенческих исследований на человека, высокая регенераторная способность, биоэтическая дозволенность в сочетании с относительно небольшими затратами на содержание делают данный модельный организм крайне актуальным для большинства перспективных направлений в современных исследованиях. Как было показано выше, моделирование ЧМТ не стало исключением из этого тренда. Зебраданио является оптимальным организмом для исследований тонких молекулярно-генетических и клеточных механизмов патогенеза ЧМТ, в частности, механизмов нейрорегенерации, поиска молекулярных мишеней для терапии. Главная цель, которая может быть достигнута с помощью зебраданио – это разработка терапевтических подходов, направленных на усиление восстановительных возможностей мозга у пациентов.

Существует много открытых вопросов (табл. 2), которые только предстоит решить с использованием моделей ЧМТ на зебраданио. Например, важным новым направлением в моделировании ЧМТ у зебраданио может стать выявление корреляционной связи между локализацией травмы и паттернами молекулярных и поведенческих изменений, что позволит установить взаимосвязь клинической картины с конкретными молекулярными факторами, которые, в свою очередь, могут стать мишенью для патогенетической терапии.

Таблица 2.  

Отдельные открытые вопросы моделирования ЧМТ у рыб

Как решить проблему недостаточной корреляция между зоной поражения и видимой клинической картиной?
Каким методом лучше всего моделировать ЧМТ у рыб?
Как провести связь между поведенческими тестами и клинической картиной ЧМТ?
В какой области мозга лучше создавать область поражения?
Влияет ли на развитие ЧМТ вид анестезии?
Каково оптимальное время экспозиции в растворе анестетика?
Каковы причины индивидуальных различий у рыб при вызове ЧМТ? Какова летальность разных моделей ЧМТ и ее причины?
Какова временная динамика течения процессов нейровоспаления, нейродегенерации, отека и нейрорегенерации?
Каковы геномные ответы при ЧМТ? Играют ли роль эпигенетические факторы в патогенезе ЧМТ?
Каковы оптимальные подходы к терапии при разных моделях ЧМТ у зебраданио?
Какова роль процессов нейровоспаления, отека, нейродегенерации, нейрорегенерации в изменениях поведения и когнитивных функций у рыб?
Какова роль активации М1- и М2-микроглии в нейровоспалении на моделях зебраданио? Какова роль А1- и А2-подтипов астроцитов в данных процессах?
Насколько корректна трансляция результатов исследований нейровоспаления, нейродегенерации, отека с моделей ЧМТ зебраданио на человека?
Как повлияет повышенный потенциал к нейрорегенерации у зебраданио на корректность трансляции результатов исследований данного процесса на человека?
Каковы особенности цитокинового спектра нейровоспаления у рыб?
Какой метод индукции ЧМТ на модели зебраданио наиболее оптимален для изучения процессов нейровоспаления, отека, нейродегенерации, нейрорегенерации?
Существуют ли линейные, половые и возрастные особенности развития ЧМТ у зебраданио?
Как стресс влияет на динамику патогенеза (и восстановления) при ЧМТ у зебраданио?
Какие физиологические (эндокринные) и биохимические биомаркеры ЧМТ у зебраданио?

Список литературы

  1. Centers for Disease Control and Prevention (CDC), National Center for Injury Prevention and Control. Report to Congress on mild traumatic brain injury in the United States: steps to prevent a serious public health problem. Atlanta (GA): Centers for Disease Control and Prevention (2003). http://www.cdc.gov/traumaticbraininjury/pdf/mtbireport-a.pdf. Accessed April 14, 2021

  2. Reid LD, Fingar KR (2020) Inpatient Stays and Emergency Department Visits Involving Traumatic Brain Injury, 2017: Statistical Brief #255. In: Healthcare Cost and Utilization Project (HCUP) Statistical Briefs [Internet]. Rockville (MD): Agency for Healthcare Res and Quality (US); 2006 Feb – PMID: 32379407.

  3. Georges A, McDas J (2021) Traumatic Brain Injury. In: Stat Pearls [Internet] Treasure Island (FL): StatPearls Publishing 2021 Jan PMID: 29083790.

  4. McCutcheon V, Park E, Liu E, Wang Y, Wen XY, Baker AJ (2016) A Model of Excitotoxic Brain Injury in Larval Zebrafish: Potential Application for High-Throughput Drug Evaluation to Treat Traumatic Brain Injury. Zebrafish 13(3): 161–169. https://doi.org/10.1089/zeb.2015.1188

  5. O'Connor WT, Smyth A, Gilchrist MD (2011) Animal models of traumatic brain injury: a critical evaluation. Pharmacol Ther 130(2): 106–113. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2011.01.001

  6. Howe K, Clark MD, Torroja CF, Torrance J, Berthelot C, Muffato M, Collins JE, Humphray S, McLaren K, Matthews L, McLaren S, Sealy I, Caccamo M, Churcher C, Scott C, Barrett JC, Koch R, Rauch GJ, White S, Chow W, Kilian B, Quintais LT, Guerra-Assunção JA, Zhou Y, Gu Y, Yen J, Vogel JH, Eyre T, Redmond S, Banerjee R, Chi J, Fu B, Langley E, Maguire SF, Laird GK, Lloyd D, Kenyon E, Donaldson S, Sehra H, Almeida-King J, Loveland J, Trevanion S, Jones M, Quail M, Willey D, Hunt A, Burton J, Sims S, McLay K, Plumb B, Davis J, Clee C, Oliver K, Clark R, Riddle C, Elliot D, Threadgold G, Harden G, Ware D, Begum S, Mortimore B, Kerry G, Heath P, Phillimore B, Tracey A, Corby N, Dunn M, Johnson C, Wood J, Clark S, Pelan S, Griffiths G, Smith M, Glithero R, Howden P, Barker N, Lloyd C, Stevens C, Harley J, Holt K, Panagiotidis G, Lovell J, Beasley H, Henderson C, Gordon D, Auger K, Wright D, Collins J, Raisen C, Dyer L, Leung K, Robertson L, Ambridge K, Leongamornlert D, McGuire S, Gilderthorp R, Griffiths C, Manthravadi D, Nichol S, Barker G, Whitehead S, Kay M, Brown J, Murnane C, Gray E, Humphries M, Sycamore N, Barker D, Saunders D, Wallis J, Babbage A, Hammond S, Mashreghi-Mohammadi M, Barr L, Martin S, Wray P, Ellington A, Matthews N, Ellwood M, Woodmansey R, Clark G, Cooper J, Tromans A, Grafham D, Skuce C, Pandian R, Andrews R, Harrison E, Kimberley A, Garnett J, Fosker N, Hall R, Garner P, Kelly D, Bird C, Palmer S, Gehring I, Berger A, Dooley CM, Ersan-Ürün Z, Eser C, Geiger H, Geisler M, Karotki L, Kirn A, Konantz J, Konantz M, Oberländer M, Rudolph-Geiger S, Teucke M, Lanz C, Raddatz G, Osoegawa K, Zhu B, Rapp A, Widaa S, Langford C, Yang F, Schuster SC, Carter NP, Harrow J, Ning Z, Herrero J, Searle SM, Enright A, Geisler R, Plasterk RH, Lee C, Westerfield M, de Jong PJ, Zon LI, Postlethwait JH, Nüsslein-Volhard C, Hubbard TJ, Crollius HR, Rogers J, Stemple DL (2014) The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature 496(7446): 498–503. https://doi.org/10.1038/nature12111

  7. Kalueff AV, Stewart AM, Gerlai R (2014) Zebrafish as an emerging model for studying complex brain disorders. Trends Pharmacol Sci. 35(2): 63–75. https://doi.org/10.1016/j.tips.2013.12.002

  8. de Abreu MS, Giacomini ACVV, Zanandrea R, Dos Santos BE, Genario R, de Oliveira GG, Friend AJ, Amstislavskaya TG, Kalueff AV (2018) Psychoneuroimmunology and immunopsychiatry of zebrafish. Psychoneuroendocrinology 92: 1–12. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2018.03.2014

  9. Schmidt R, Beil T, Strähle U, Rastegar S (2014) Stab wound injury of the zebrafish adult telencephalon: a method to investigate vertebrate brain neurogenesis and regeneration. J Vis Exp (90): e51753. https://doi.org/10.3791/51753

  10. Kishimoto N, Shimizu K, Sawamoto K (2012) Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Dis Model Mech 5(2): 200–209. https://doi.org/10.1242/dmm.007336

  11. Kroehne V, Freudenreich D, Hans S, Kaslin J, Brand M (2011) Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development 138(22): 4831–4841. https://doi.org/10.1242/dev.072587

  12. Wu CC, Tsai TH, Chang C, Lee TT, Lin C, Cheng IH, Sun MC, Chuang YJ, Chen BS (2014) On the crucial cerebellar wound healing-related pathways and their cross-talks after traumatic brain injury in Danio rerio. PLoS One 9(6): e97902. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0097902

  13. McCutcheon V, Park E, Liu E, Sobhebidari P, Tavakkoli J, Wen XY, Baker AJ (2017) A Novel Model of Traumatic Brain Injury in Adult Zebrafish Demonstrates Response to Injury and Treatment Comparable with Mammalian Models. J Neurotrauma 34(7): 1382–1393. https://doi.org/10.1089/neu.2016.4497

  14. Maheras AL, Dix B, Carmo OMS, Young AE, Gill VN, Sun JL, Booker AR, Thomason HA, Ibrahim AE, Stanislaw L, Dallego JC, Ngo CN, Chen A, Fortini BK, Spence RD (2018) Genetic Pathways of Neuroregeneration in a Novel Mild Traumatic Brain Injury Model in Adult Zebrafish. eNeuro 5(1): ENEURO.0208-17.2017. https://doi.org/10.1523/ENEURO.0208-17.2017

  15. Crilly S, Njegic A, Laurie SE, Fotiou E, Hudson G, Barrington J, Webb K, Young HL, Badrock AP, Hurlstone A, Rivers-Auty J, Parry-Jones AR, Allan SM, Kasher PR (2018) Using zebrafish larval models to study brain injury, locomotor and neuroinflammatory outcomes following intracerebral haemorrhage. F1000Res7: 1617. https://doi.org/10.12688/f1000research.16473.2

  16. Liu J, Fraser SD, Faloon PW, Rollins EL, Vom Berg J, Starovic-Subota O, Laliberte AL, Chen JN, Serluca FC, Childs SJ (2007) A betaPix Pak2a signaling pathway regulates cerebral vascular stability in zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A104 (35): 13990–13995. https://doi.org/10.1073/pnas.0700825104

  17. Vecil GG, Larsen PH, Corley SM, Herx LM, Besson A, Goodyer CG, Yong VW (2000) Interleukin-1 is a key regulator of matrix metalloproteinase-9 expression in human neurons in culture and following mouse brain trauma in vivo. J Neurosci Res 61(2): 212–224. https://doi.org/10.1002/1097-4547(20000715)61:2<212::AID-JNR12>3.0.CO;2-9

  18. Lu KT, Wang YW, Yang JT, Yang YL, Chen HI (2005) Effect of interleukin-1 on traumatic brain injury-induced damage to hippocampal neurons. J Neurotrauma 22(8): 885–895. https://doi.org/10.1089/neu.2005.22.885

  19. Hanisch UK, Kettenmann H (2007) Microglia: active sensor and versatile effector cells in the normal and pathologic brain. Nat Neurosci 10(11): 1387–1394. https://doi.org/10.1038/nn1997

  20. Jha MK, Lee WH, Suk K (2016) Functional polarization of neuroglia: Implications in neuroinflammation and neurological disorders. Biochem Pharmacol 103: 1–16. https://doi.org/10.1016/j.bcp.2015.11.003

  21. MacMicking J, Xie QW, Nathan C (1997) Nitric oxide and macrophage function. Annu Rev Immunol 15: 323–350. https://doi.org/10.1146/annurev.immunol.15.1.323

  22. Masuda T, Tsuda M, Yoshinaga R, Tozaki-Saitoh H, Ozato K, Tamura T, Inoue K (2012) IRF8 is a critical transcription factor for transforming microglia into a reactive phenotype. Cell Rep 1(4): 334–340. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2012.02.014

  23. Tanaka T, Murakami K, Bando Y, Yoshida S (2015) Interferon regulatory factor 7 participates in the M1-like microglial polarization switch. Glia 63(4): 595–610. https://doi.org/10.1002/glia.22770

  24. Cai X, Yin Y, Li N, Zhu D, Zhang J, Zhang CY, Zen K (2012) Re-polarization of tumor-associated macrophages to pro-inflammatory M1 macrophages by microRNA-155. J Mol Cell Biol 4(5): 341–343. https://doi.org/10.1093/jmcb/mjs044

  25. Ponomarev ED, Veremeyko T, Barteneva N, Krichevsky AM, Weiner HL (2011) MicroRNA-124 promotes microglia quiescence and suppresses EAE by deactivating macrophages via the C/EBP-α-PU.1 pathway. Nat Med 17(1): 64–70. https://doi.org/10.1038/nm.2266

  26. Zhao YF, Zhang X, Ding ZB, Yang XW, Zhang H, Yu JZ, Li YH, Liu CY, Zhang Q, Zhang HZ, Ma CG, Xiao BG (2015) The therapeutic potential of Rho kinase inhibitor fasudil derivative FaD-1 in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Mol Neurosci 55(3): 725–732. https://doi.org/10.1007/s12031-014-0411-7

  27. Bsibsi M, Ravid R, Gveric D, van Noort JM (2002) Broad expression of Toll-like receptors in the human central nervous system. J Neuropathol Exp Neurol 61(11): 1013–1021. https://doi.org/10.1093/jnen/61.11.1013

  28. Marsh BJ, Williams-Karnesky RL, Stenzel-Poore MP (2009) Toll-like receptor signaling in endogenous neuroprotection and stroke. Neuroscience 158(3): 1007–1020. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2008.07.067

  29. Fellner L, Irschick R, Schanda K, Reindl M, Klimaschewski L, Poewe W, Wenning GK, Stefanova N (2013) Toll-like receptor 4 is required for α-synuclein dependent activation of microglia and astroglia. Glia 61(3): 349–360. https://doi.org/10.1002/glia.22437

  30. Holm TH, Draeby D, Owens T (2012) Microglia are required for astroglial Toll-like receptor 4 response and for optimal TLR2 and TLR3 response. Glia 60(4): 630–638. https://doi.org/10.1002/glia.22296

  31. Jack CS, Arbour N, Manusow J, Montgrain V, Blain M, McCrea E, Shapiro A, Antel JP (2005) TLR signaling tailors innate immune responses in human microglia and astrocytes. J Immunol 175(7): 4320–4330. https://doi.org/10.4049/jimmunol.175.7.4320

  32. Hicks RR, Numan S, Dhillon HS, Prasad MR, Seroogy KB (1997) Alterations in BDNF and NT-3 mRNAs in rat hippocampus after experimental brain trauma. Brain Res Mol Brain Res 48(2): 401–406. https://doi.org/10.1016/s0169-328x(97)

  33. Mitrasinovic OM, Perez GV, Zhao F, Lee YL, Poon C, Murphy GM Jr (2001) Overexpression of macrophage colony-stimulating factor receptor on microglial cells induces an inflammatory response. J Biol Chem 276(32): 30142–30149. https://doi.org/10.1074/jbc.M104265200

  34. Bianco F, Ceruti S, Colombo A, Fumagalli M, Ferrari D, Pizzirani C, Matteoli M, Di Virgilio F, Abbracchio MP, Verderio C (2006) A role for P2X7 in microglial proliferation. J Neurochem 99(3): 745–748. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2006.04101.x

  35. de Rivero Vaccari JP, Minkiewicz J, Wang X, De Rivero Vaccari JC, German R, Marcillo AE, Dietrich WD, Keane RW (2012) Astrogliosis involves activation of retinoic acid-inducible gene-like signaling in the innate immune response after spinal cord injury. Glia 60(3): 414–421. https://doi.org/10.1002/glia.22275

  36. Esen N, Tanga FY, DeLeo JA, Kielian T (2004) Toll-like receptor 2 (TLR2) mediates astrocyte activation in response to the Gram-positive bacterium Staphylococcus aureus. J Neurochem 88(3): 746–758. https://doi.org/10.1046/j.1471-4159.2003.02202.x

  37. Bowman CC, Rasley A, Tranguch SL, Marriott I (2003) Cultured astrocytes express toll-like receptors for bacterial products. Glia 43(3): 281–291. https://doi.org/10.1002/glia.10256

  38. Carpentier PA, Begolka WS, Olson JK, Elhofy A, Karpus WJ, Miller SD (2005) Differential activation of astrocytes by innate and adaptive immune stimuli. Glia 49(3): 360–374. https://doi.org/10.1002/glia.20117

  39. Gorina R, Font-Nieves M, Márquez-Kisinousky L, Santalucia T, Planas AM (2011) Astrocyte TLR4 activation induces a proinflammatory environment through the interplay between MyD88-dependent NFκB signaling, MAPK, and Jak1/Stat1 pathways. Glia 59(2): 242–255. https://doi.org/10.1002/glia.21094

  40. Eng LF, Ghirnikar RS (1994) GFAP and astrogliosis. Brain Pathol 4(3): 229–237. https://doi.org/10.1111/j.1750-3639.1994.tb00838.x

  41. Faulkner JR, Herrmann JE, Woo MJ, Tansey KE, Doan NB, Sofroniew MV (2004) Reactive astrocytes protect tissue and preserve function after spinal cord injury. J Neurosci 24(9): 2143–2155. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3547-03.2004

  42. Chen H, Liu C, Sun S, Mei Y, Tong E (2001) Cytokine-induced cell surface expression of adhesion molecules in vascular endothelial cells in vitro. J Tongji Med Univ 21(1): 68–71. https://doi.org/10.1007/BF02888042

  43. Fabry Z, Waldschmidt MM, Hendrickson D, Keiner J, Love-Homan L, Takei F, Hart MN (1992) Adhesion molecules on murine brain microvascular endothelial cells: expression and regulation of ICAM-1 and Lgp 55. J Neuroimmunol 36(1): 1–11. https://doi.org/10.1016/0165-5728(92)90026-h

  44. Carlos TM, Clark RS, Franicola-Higgins D, Schiding JK, Kochanek PM (1997) Expression of endothelial adhesion molecules and recruitment of neutrophils after traumatic brain injury in rats. J Leukoc Biol 61(3): 279–285. https://doi.org/10.1002/jlb.61.3.279

  45. Holmin S, Söderlund J, Biberfeld P, Mathiesen T (1998) Intracerebral inflammation after human brain contusion. Neurosurgery 42(2): 291–298. https://doi.org/10.1097/00006123-199802000-00047

  46. Beschorner R, Nguyen TD, Gözalan F, Pedal I, Mattern R, Schluesener HJ, Meyermann R, Schwab JM (2002) CD14 expression by activated parenchymal microglia/macrophages and infiltrating monocytes following human traumatic brain injury. Acta Neuropathol 103(6): 541–549. https://doi.org/10.1007/s00401-001-0503-7

  47. Szmydynger-Chodobska J, Strazielle N, Zink BJ, Ghersi-Egea JF, Chodobski A (2019) The role of the choroid plexus in neutrophil invasion after traumatic brain injury. J Cereb Blood Flow Metab 29(9): 1503–1516. https://doi.org/10.1038/jcbfm.2009.71

  48. Etienne-Manneville S, Manneville JB, Adamson P, Wilbourn B, Greenwood J, Couraud PO (2000) ICAM-1-coupled cytoskeletal rearrangements and transendothelial lymphocyte migration involve intracellular calcium signaling in brain endothelial cell lines. J Immunol 165(6): 3375–3383. https://doi.org/10.4049/jimmunol.165.6.3375

  49. Kossmann T, Stahel PF, Morganti-Kossmann MC, Jones JL, Barnum SR (1997) Elevated levels of the complement components C3 and factor B in ventricular cerebrospinal fluid of patients with traumatic brain injury. J Neuroimmunol 73(1–2): 63–69. https://doi.org/10.1016/s0165-5728(96)00164-6

  50. Stahel PF, Morganti-Kossmann MC, Perez D, Redaelli C, Gloor B, Trentz O, Kossmann T (2001) Intrathecal levels of complement-derived soluble membrane attack complex (sC5b-9) correlate with blood-brain barrier dysfunction in patients with traumatic brain injury. J Neurotrauma 18(8): 773–781. https://doi.org/10.1089/089771501316919139

  51. Stahel PF, Flierl MA, Morgan BP, Persigehl I, Stoll C, Conrad C, Touban BM, Smith WR, Beauchamp K, Schmidt OI, Ertel W, Leinhase I (2009) Absence of the complement regulatory molecule CD59a leads to exacerbated neuropathology after traumatic brain injury in mice. J Neuroinflammat 6:2. https://doi.org/10.1186/1742-2094-6-2

  52. Zuo J, Ferguson TA, Hernandez YJ, Stetler-Stevenson WG, Muir D (1998) Neuronal matrix metalloproteinase-2 degrades and inactivates a neurite-inhibiting chondroitin sulfate proteoglycan. J Neurosci 18(14): 5203–5211. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.18-14-05203.1998

  53. Uhm JH, Dooley NP, Oh LY, Yong VW (1998) Oligodendrocytes utilize a matrix metalloproteinase, MMP-9, to extend processes along an astrocyte extracellular matrix. Glia 22(1): 53–63. https://doi.org/10.1002/(sici)1098-1136(199801)22:1<53::aid-glia5>3.0.co;2-9

  54. Harkness KA, Adamson P, Sussman JD, Davies-Jones GA, Greenwood J, Woodroofe MN (2000) Dexamethasone regulation of matrix metalloproteinase expression in CNS vascular endothelium. Brain 123 (Pt 4): 698–709. https://doi.org/10.1093/brain/123.4.698

  55. Song J, Wu C, Korpos E, Zhang X, Agrawal SM, Wang Y, Faber C, Schäfers M, Körner H, Opdenakker G, Hallmann R, Sorokin L (2015) Focal MMP-2 and MMP-9 activity at the blood-brain barrier promotes chemokine-induced leukocyte migration. Cell Rep 10(7): 1040–1054. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2015.01.037

  56. Seri B, García-Verdugo JM, Collado-Morente L, McEwen BS, Alvarez-Buylla A (2004) Cell types, lineage, and architecture of the germinal zone in the adult dentate gyrus. J Comp Neurol 478(4): 359–378. https://doi.org/10.1002/cne.20288

  57. Doetsch F, Caillé I, Lim DA, García-Verdugo JM, Alvarez-Buylla A (1999) Subventricular zone astrocytes are neural stem cells in the adult mammalian brain. Cell 97(6): 703–716. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)80783-7

  58. Kizil C, Kaslin J, Kroehne V, Brand M (2012) Adult neurogenesis and brain regeneration in zebrafish. Dev Neurobiol 72(3): 429–461. https://doi.org/10.1002/dneu.20918

  59. Tallafuss A, Kelly M, Gay L, Gibson D, Batzel P, Karfilis KV, Eisen J, Stankunas K, Postlethwait JH, Washbourne P (2015) Transcriptomes of post-mitotic neurons identify the usage of alternative pathways during adult and embryonic neuronal differentiation. BMC Genomics 16: 1100. https://doi.org/10.1186/s12864-015-2215-8

  60. März M, Schmidt R, Rastegar S, Strähle U (2011) Regenerative response following stab injury in the adult zebrafish telencephalon. Dev Dyn 240(9): 2221–2231. https://doi.org/10.1002/dvdy.22710

  61. Kroehne V, Freudenreich D, Hans S, Kaslin J, Brand M (2011) Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development 138(22): 4831–4841. https://doi.org/10.1242/dev.072587

  62. Kyritsis N, Kizil C, Zocher S, Kroehne V, Kaslin J, Freudenreich D, Iltzsche A, Brand M (2012) Acute inflammation initiates the regenerative response in the adult zebrafish brain. Science 338(6112): 1353–1356. https://doi.org/10.1126/science.1228773

  63. Huang EJ, Reichardt LF (2001) Neurotrophins: roles in neuronal development and function. Annu Rev Neurosci 24: 677–736. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.24.1.677

  64. Cacialli P, Gueguen MM, Coumailleau P, D’Angelo L, Kah O, Lucini C, Pellegrini E (2016) BDNF Expression in Larval and Adult Zebrafish Brain: Distribution and Cell Identification. PLoS One. 11(6): e0158057. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158057

  65. Lemmens K, Bollaerts I, Bhumika S, de Groef L, Van Houcke J, Darras VM, Van Hove I, Moons L (2016) Matrix metalloproteinases as promising regulators of axonal regrowth in the injured adult zebrafish retinotectal system. J Comp Neurol 524(7): 1472–1493. https://doi.org/10.1002/cne.23920

  66. Mortimer JA, van Duijn CM, Chandra V, Fratiglioni L, Graves AB, Heyman A, Jorm AF, Kokmen E, Kondo K, Rocca WA et al (1991) Head trauma as a risk factor for Alzheimer’s disease: a collaborative re-analysis of case-control studies. EURODEM Risk Factors Research Group. Int J Epidemiol 20 Suppl 2: S28–S35. https://doi.org/10.1093/ije/20.supplement_2.s28

  67. Fleminger S, Oliver DL, Lovestone S, Rabe-Hesketh S, Giora A (2003) Head injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: the evidence 10 years on; a partial replication. J Neurol Neurosurg Psychiatry 74(7): 857–862. https://doi.org/10.1136/jnnp.74.7.857

  68. Mehta KM, Ott A, Kalmijn S, Slooter AJ, van Duijn CM, Hofman A, Breteler MM (1999) Head trauma and risk of dementia and Alzheimer’s disease: The Rotterdam Study. Neurology 53(9): 1959–1962. https://doi.org/10.1212/wnl.53.9.1959

  69. Hicks RR, Smith DH, Lowenstein DH, Saint Marie R, McIntosh TK (1993) Mild experimental brain injury in the rat induces cognitive deficits associated with regional neuronal loss in the hippocampus. J Neurotrauma 10(4): 405–414. https://doi.org/10.1089/neu.1993.10.405

  70. Kupina NC, Detloff MR, Bobrowski WF, Snyder BJ, Hall ED (2003) Cytoskeletal protein degradation and neurodegeneration evolves differently in males and females following experimental head injury. Exp Neurol 180(1): 55–73. https://doi.org/10.1016/s0014-4886(02)00048-1

  71. Awasthi D, Church DF, Torbati D, Carey ME, Pryor WA (1997) Oxidative stress following traumatic brain injury in rats. Surg Neurol 47(6): 575–581. https://doi.org/10.1016/s0090-3019(96)00461-2

  72. Xiong Y, Peterson PL, Muizelaar JP, Lee CP (1997) Amelioration of mitochondrial function by a novel antioxidant U-101033E following traumatic brain injury in rats. J Neurotrauma 14(12): 907–917. https://doi.org/10.1089/neu.1997.14.907

  73. Mendez DR, Cherian L, Moore N, Arora T, Liu PK, Robertson CS (2004) Oxidative DNA lesions in a rodent model of traumatic brain injury. J Trauma 56(6): 1235–1240. https://doi.org/10.1097/01.ta.0000130759.62286.0e

  74. Singh IN, Sullivan PG, Deng Y, Mbye LH, Hall ED (2006) Time course of post-traumatic mitochondrial oxidative damage and dysfunction in a mouse model of focal traumatic brain injury: implications for neuroprotective therapy. J Cereb Blood Flow Metab 26(11): 1407–1418. https://doi.org/10.1038/sj.jcbfm.9600297

  75. Dai W, Cheng HL, Huang RQ, Zhuang Z, Shi JX (2009) Quantitative detection of the expression of mitochondrial cytochrome c oxidase subunits mRNA in the cerebral cortex after experimental traumatic brain injury. Brain Res 1251: 287–295. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2008.11.034

  76. Smith DH, Uryu K, Saatman KE, Trojanowski JQ, McIntosh TK (2003) Protein accumulation in traumatic brain injury. Neuromolecular Med 4(1-2): 59–72. https://doi.org/10.1385/NMM:4:1-2:59

  77. McKee AC, Daneshvar DH, Alvarez VE, Stein TD (2014) The neuropathology of sport. Acta Neuropathol 127(1): 29–51. https://doi.org/10.1007/s00401-013-1230-6

  78. Paquet D, Bhat R, Sydow A, Mandelkow EM, Berg S, Hellberg S, Fälting J, Distel M, Köster RW, Schmid B, Haass C (2009) A zebrafish model of tauopathy allows in vivo imaging of neuronal cell death and drug evaluation. J Clin Invest 119(5): 1382–1395. https://doi.org/10.1172/JCI37537

  79. Stokum JA, Kurland DB, Gerzanich V, Simard JM (2015) Mechanisms of astrocyte-mediated cerebral edema. Neurochem Res 40(2): 317–328. https://doi.org/10.1007/s11064-014-1374-3

  80. Yi JH, Hazell AS (2006) Excitotoxic mechanisms and the role of astrocytic glutamate transporters in traumatic brain injury. Neurochem Int 48(5): 394–403. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2005.12.001

  81. McCutcheon V, Park E, Liu E, Wang Y, Wen XY, Baker AJ (2016) A Model of Excitotoxic Brain Injury in Larval Zebrafish: Potential Application for High-Throughput Drug Evaluation to Treat Traumatic Brain Injury. Zebrafish 13(3): 161–169. https://doi.org/10.1089/zeb.2015.1188

  82. Klatzo I (1967) Presidental address. Neuropathological aspects of brain edema. J Neuropathol Exp Neurol 26(1): 1–14. https://doi.org/10.1097/00005072-196701000-00001

  83. Cervós-Navarro J, Lafuente JV (1991) Traumatic brain injuries: structural changes. J Neurol Sci 103 Suppl: S3–S14. https://doi.org/10.1016/0022-510x(91)90002-o

  84. Nevin NC (1967) Neuropathological changes in the white matter following head injury. J Neuropathol Exp Neurol 26(1): 77–84. https://doi.org/10.1097/00005072-196701000-00006

  85. Povlishock JT, Becker DP, Sullivan HG, Miller JD (1978) Vascular permeability alterations to horseradish peroxidase in experimental brain injury. Brain Res 153(2): 223–239. https://doi.org/10.1016/0006-8993(78)90404-3

  86. Taniguchi M, Yamashita T, Kumura E, Tamatani M, Kobayashi A, Yokawa T, Maruno M, Kato A, Ohnishi T, Kohmura E, Tohyama M, Yoshimine T (2000) Induction of aquaporin-4 water channel mRNA after focal cerebral ischemia in rat. Brain Res Mol Brain Res 78(1–2): 131–137. https://doi.org/10.1016/s0169-328x(00)00084-x

  87. Rapoport SI (1978) A mathematical model for vasogenic brain edema. J Theor Biol 74(3): 439–467. https://doi.org/10.1016/0022-5193(78)90224-2

  88. Klatzo I (1987) Pathophysiological aspects of brain edema. Acta Neuropathol 72(3): 236–239. https://doi.org/10.1007/BF00691095

  89. Simard JM, Chen M, Tarasov KV, Bhatta S, Ivanova S, Melnitchenko L, Tsymbalyuk N, West GA, Gerzanich V (2006) Newly expressed SUR1-regulated NC(Ca-ATP) channel mediates cerebral edema after ischemic stroke. Nat Med 12(4): 433–440. https://doi.org/10.1038/nm1390

  90. Reiter B, Kraft R, Günzel D, Zeissig S, Schulzke JD, Fromm M, Harteneck C (2006) TRPV4-mediated regulation of epithelial permeability. FASEB J 20(11): 1802–1812. https://doi.org/10.1096/fj.06-5772com

  91. Fu X, Li Q, Feng Z, Mu D (2007) The roles of aquaporin-4 in brain edema following neonatal hypoxia ischemia and reoxygenation in a cultured rat astrocyte model. Glia 55(9): 935–941. https://doi.org/10.1002/glia.20515

  92. Huang J, Liu B, Yang C, Chen H, Eunice D, Yuan Z (2013) Acute hyperglycemia worsens ischemic stroke-induced brain damage via high mobility group box-1 in rats. Brain Res 1535: 148–155. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2013.08.057

  93. Tang G, Liu Y, Zhang Z, Lu Y, Wang Y, Huang J, Li Y, Chen X, Gu X, Wang Y, Yang GY (2014) Mesenchymal stem cells maintain blood-brain barrier integrity by inhibiting aquaporin-4 upregulation after cerebral ischemia. Stem Cells 32(12): 3150–3162. https://doi.org/10.1002/stem.1808

  94. Zhiyuan Q, Qingyong L, Shengming H, Hui M (2016) Protective effect of rhEPO on tight junctions of cerebral microvascular endothelial cells early following traumatic brain injury in rats. Brain Inj 30(4): 462–467. https://doi.org/10.3109/02699052.2015.1080386

  95. Bramlett HM, Dietrich WD (2004) Pathophysiology of cerebral ischemia and brain trauma: similarities and differences. J Cereb Blood Flow Metab 24(2): 133–150. https://doi.org/10.1097/01.WCB.0000111614.19196.04

  96. Wang TW, Chang KC, Chen LH, Liao SY, Yeh CW, Chuang YJ (2017). Effects of an injectable functionalized self-assembling nanopeptide hydrogel on angiogenesis and neurogenesis for regeneration of the central nervous system. Nanoscale 9(42): 16281–16292. https://doi.org/10.1039/c7nr06528k

  97. Hsieh FY, Hsu SH (2015). 3D bioprinting: A new insight into the therapeutic strategy of neural tissue regeneration. Organogenesis 11(4): 153–158. https://doi.org/10.1080/15476278.2015.1123360

  98. Kabadi SV, Hilton GD, Stoica BA, Zapple DN, Faden AI (2010). Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nat Protoc 5(9): 1552–1563. https://doi.org/10.1038/nprot.2010.112

  99. Chiu CC, Liao YE, Yang LY, Wang JY, Tweedie D, Karnati HK, Greig NH, Wang JY (2016) Neuroinflammation in animal models of traumatic brain injury. J Neurosci Methods 272: 38–49. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2016.06.018

  100. Das Gupta S, Ciszek R, Heiskanen M, Lapinlampi N, Kukkonen J, Leinonen V, Puhakka N, Pitkänen A (2021) Plasma miR-9-3p and miR-136-3p as Potential Novel Diagnostic Biomarkers for Experimental and Human Mild Traumatic Brain Injury. Int J Mol Sci 22(4): 1563. https://doi.org/10.3390/ijms22041563

  101. Komoltsev IG, Sinkin MV, Volkova AA, Smirnova EA, Novikova MR, Kordonskaya OO, Talypov AE, Guekht AB, Krylov VV, Gulyaeva NV (2020)A Translational Study on Acute Traumatic Brain Injury: High Incidence of Epileptiform Activity on Human and Rat Electrocorticograms and Histological Correlates in Rats. Brain Sci 10(9): 570. https://doi.org/10.3390/brainsci10090570

  102. Cho SJ, Park E, Telliyan T, Baker A, Reid AY (2020) Zebrafish model of posttraumatic epilepsy. Epilepsia 61(8): 1774–1785. https://doi.org/10.1111/epi.16589

  103. Cheng RK, Jesuthasan SJ, Penney TB (2014) Zebrafish forebrain and temporal conditioning. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 369(1637): 20120462. https://doi.org/10.1098/rstb.2012.0462

  104. Gan D, Wu S, Chen B, Zhang J (2020) Application of the Zebrafish Traumatic Brain Injury Model in Assessing Cerebral Inflammation. Zebrafish 17(2): 73–82. https://doi.org/10.1089/zeb.2019.1793

  105. Liu XYE, Park E, Barretto T, Liu E, Ferrier GA, Tavakkoli J, J Baker A (2020) Effect of Human Umbilical Cord Perivascular Cell-Conditioned Media in an Adult Zebrafish Model of Traumatic Brain Injury. Zebrafish 2020 May 20. https://doi.org/10.1089/zeb.2020.1859

  106. Chinwalla A (2002) Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome. Nature 420: 520–562. https://doi.org/10.1038/nature01262

  107. Carbonell WS, Maris DO, McCall T, Grady MS (1998) Adaptation of the fluid percussion injury model to the mouse. J Neurotrauma 15(3): 217–229. https://doi.org/10.1089/neu.1998.15.217

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал