Дрозофіли проти хвороби Альцгеймера
Науковці кафедри генетики і біотехнології Львівського національного університету ім. Івана Франка досліджують складні механізми нейродегенерації
«Нобелівські лауреатки»
Сім разів на врученні Нобелівської премії згадувалися плодові мухи-дрозофіли. Вперше у 1933 р., востаннє — в 2017.
Томас Хант Морган
Томас Хант Морган у 1910 р. почав використовувати фруктових мух в експериментальних дослідженнях спадковості, які проводили у Колумбійському університеті. Лабораторія називалася «Кімната мух» і прислужилася започаткуванню засадничих знань у генетиці. Т. Морган виявив, що у кожній клітині зберігається інформація про будову цілого організму і її носієм є хромосома. За це йому в 1933 р. було вручено Нобелівську премію.
У 1946 р. учень Томаса Моргана Герман Джозеф Мюллер отримав премію за використання рентгенівського випромінювання для одержання мутацій in vivo. Він виявив залежність між дією рентгенівських променів і летальними мутаціями. Вчений почав кампанію на захист людей, які працюють в небезпечному середовищі, наприклад лікарів-рентгенологів.
Едвард Льюїс — видатний американський генетик. Разом з колегами Крістіаною Нюсляйн-Фольгард та Еріком Вішаус у 1995 р. він став лауреатом Нобелівської премії за внесок у з’ясування генетичного контролю раннього ембріонального розвитку. Науковці виявили гени, завдяки яким багатоклітинні організми розвиваються з однієї клітини до морфологічно складних форм.
У 2011 р. Брюса Бейтлера та Жюля Гофмана нагородили за успіх у вивченні вродженого імунітету. Було встановлено механізми дії спадкового імунітету, що відкриває широкі перспективи у лікуванні різноманітних захворювань — від запалення легень до складних форм раку.
У 2017 р. Джефрі Хол, Майкл Росбаш і Майкл Янг отримали найпрестижнішу світову премію за внесок у розуміння молекулярних механізмів, які контролюють циркадні ритми. Джефрі Хол відстежив утворення білка PER, яким кодували гени, що відповідають за циркадний ритм у дрозофіл. Майкл Росбаш відкрив циклічний ген, годинниковий ген та криптохромний фоторецептор. Майкл Янг зробив значний внесок у хронобіологію, визначивши гени, пов’язані з регулюванням внутрішнього годинника.
Мозок плодових мушок — ідеальна модель для дослідження мозку людини
Наталія Матійців
— Одна з наукових тематик нашої кафедри — нейробіологія з використанням модельного об’єкта Drosophila melanogaster, — розповідає канд. біол. наук Наталія Матійців, доцент кафедри генетики і біотехнології Львівського національного університету ім. Івана Франка. — Ми ставимо перед собою два головних завдання: перше (фундаментальне) — вивчення клітинних механізмів нейродегенерації, оскільки досі вони залишаються не до кінця зрозумілими; друге (практичне) — використання унікальних ліній дрозофіл з нейродегенеративними змінами для дослідження потенційної терапевтичної ролі лікарських засобів. Зокрема, тих, що вже певний час застосовують в інших сферах медицини, або експериментальних, які нам пропонують науковці-фармацевти. Інакше кажучи, ми вивчаємо вплив лікарських препаратів на дрозофіл-мутантів — особин з дегенерацією.
Наукова група складається з трьох доцентів та близько 10 студентів, які роблять свої курсові і дипломні роботи за цією тематикою.
Нейродегенеративних захворювань існує досить багато, однак хвороба Альцгеймера і хвороба Паркінсона є найбільш відомими, оскільки хворих на них дуже багато в цілому світі. Причому ці дві недуги не завжди генетично обумовлені. І те, що захворюваність зростає, пояснюють переважно збільшенням тривалості життя. Тобто маємо зворотний бік цього процесу — появу і розвиток нейродегенеративних розладів у людей похилого віку.
У сфері наших зацікавлень переважно ті нейродегенеративні патології, які зумовлені генетичними причинами, та нейропатії, що виникли внаслідок дії органофосфатів, що входять до складу пестицидів і інсектицидів.
Для детального вивчення клітинних механізмів нейродегенерації необхідна величезна кількість досліджуваних особин, треба оцінювати зрізи мозку на різних етапах і в різному віці, під впливом різних чинників. Саме тому з цією метою використовують не ссавців, а плодових мушок. Завдяки їхній плодючості (живе дрозофіла близько 60 днів, розмножується кожні 2 тиж, даючи велике потомство — від 50 до 200 особин) можна проводити велику кількість генетичних дослідів упродовж цілого року. Сьогодні дрозофіла — найбільш досліджуваний об’єкт великою мірою й через невисоку вартість таких досліджень навіть порівняно із лабораторними щурами, жабами чи кролями.
Геном плодової мухи містить чотири пари хромосом, 12 тис. генів. Основна наша наукова модель — ген дрозофіли, що називається swiss cheese (sws). Чому така назва? Бо якщо зробити зріз мозку плодової мушки, то можна побачити у тканині дірочки, дуже схожі на дірочки у швейцарському сирі. Також аналогічний ген є у людини. Мутації в ньому спричиняють відомі рідкісні, але генетично обумовлені нейродегенеративні розлади (наприклад, спастична параплегія), які можуть проявлятися навіть у юному віці, а тому є більш небезпечними.
Водночас ми вважаємо, що наші дослідження можуть бути корисними і тим науковцям, які вивчають хворобу Альцгеймера у людей, оскільки клітинні механізми нейродегенерації незалежно від першопричини захворювання у людини і дрозофіли є дуже подібними.
Дослідження лікарських засобів також доцільно проводити на дрозофілі. До основних проявів нейродегенерації у людини належать скорочення тривалості життя, відмирання клітин мозку і порушення поведінки. Аналогічні процеси відбуваються й у плодових мушок. Тому, даючи їм потенційно корисний препарат, ми можемо перевірити, чи подовжує він тривалість життя у комах, чи зменшує дегенерацію мозку і чи покращує прояви поведінки. Якщо такий ефект фіксується, наступне завдання — зрозуміти чому, іншими словами, з’ясувати клітинний механізм. Якщо він співпадатиме у дрозофіли і людини, лікарський засіб може бути рекомендованим для тестування за участі пацієнтів.
За словами Наталії Матійців, науковий доробок працівників кафедри містить наукові статті (2014 р.) із результатами досліджень експериментального лікарського засобу мітохондрин, що належить до групи нейропептидів. Тепер практична робота в цьому напрямку припинилася, оскільки патент на засіб був російським, попри те, що це результат співпраці професора Макаренка О.М. з Києва та його колег з Москви. Та після анексії Криму професор вирішив припинити цю співпрацю, тому нових зразків засобу в нас немає. Однак невдовзі має вийти ще одна стаття львівських науковців із результатами останніх досліджень мітохондрину.
Вивчення відомого лікарського засобу церебролізин, який застосовують за наявності різних неврологічних патологій, ішемії, інфаркту, триває досі, хоча у багатьох країнах від його застосування поступово відмовляються. Проте зафіксовано, що у пацієнтів з хворобою Альцгеймера, які приймають Церобролізин, настання критичних симптомів відтерміновується. Тому дослідження впливів цього препарату за нейродегенеративних змін на сьогодні знову є актуальним.
У статті, що готується до друку, ми опублікуємо свої результати — неоднозначні і суперечливі: церебролізин справді продовжує тривалість життя і частково покращує структуру мозку, однак, на жаль, ніяк не впливає на поведінку. Тому його не можна вважати ефективним для лікування хвороби Альцгеймера та інших нейродегенеративних розладів.
Ще один напрямок наукових досліджень кафедри — вивчення антиоксидантів. Тепер поширюється багато міфів щодо них, і антиоксидантам приписують неймовірні властивості. Насправді ж під цією назвою об’єднано цілком різні за своєю суттю речовини. Ми активно досліджуємо деякі з них і наразі не знаємо, якими ж будуть висновки.
Без «знарядь праці» науки не буде
— Навіть найобдарованіший науковець не зможе досягти якихось результатів без відповідної матеріальної бази — сучасного обладнання і реактивів. А ми маємо можливість проводити наукову роботу, зокрема, й у Міжуніверситетському центрі колективного користування клітинної біології та біоенергетики на базі біологічного факультету ЛНУ ім. Івана Франка, який відкрили у березні минулого року, — зазначає Наталія Матійців. — Його сучасне обладнання, до прикладу, інвертований мікроскоп Olympus IX73 з цифровою камерою DP-74, дає змогу проводити високоякісну світлову та флуорисцентну мікроскопію гістологічних препаратів та живих клітин. Проте навіть ця сучасна лабораторія не забезпечена реактивами.
Кафедра генетики і біотехнології ЛНУ ім. Івана Франка була заснована у 1976 р. після довгої заборони генетики в СРСР і створена зусиллями доцента Білоконь О.М. На момент створення це була одна дослідна лабораторія генетики дрозофіли, а головні напрямки досліджень — біохімічні зміни в організмі за дії рентгенівського опромінення та старіння. Нейробіологічний напрямок започатковано у 1997 р. завдяки доцентам Черник Я.І., Максимів Д.В., Щербатої Г.Р. та міжнародному гранту INTAS. Цей напрямок успішно розвивається і дотепер.
Одночасно на кафедрі працює кілька груп дослідників, що дає змогу обмінюватись напрацюваннями, спільно шукати розв’язки поставлених задач.
У кафедральній лабораторії маємо флуорисцентний мікроскоп з ультрафіолетовою лампою. І це важливо, бо мозок дрозофіли володіє аутофлуорисценцією (в очах комахи є відповідний пігмент), що дозволяє не використовувати додатково якісь барвники при вивченні зрізів мозку. Але наш мікроскоп не має камери, тому основні дослідження проводимо в себе на кафедрі, а знімки робимо в міжуніверситетській лабораторії. Фотографії за допомогою спеціальних комп’ютерних програм дають можливість проводити кількісний аналіз і вираховувати зони і розмір дегенерацій. Тобто встановити, чи зменшуються під впливом того або іншого лікарського засобу ділянки дегенерації, чи залишаються такими самими.
Наша лабораторія обладнана всім необхідним для виготовлення гістологічних зрізів мозку, зокрема, це сучасний автоматизований прилад мікротом Leica з одноразовими ножами, а також центрифуга, дистилятор та термостати — теплі домівки для мушок.
Біохімічні дослідження проводимо за допомогою спектрофотометра у Міжуніверситетському центрі. Здебільшого їхні результати розцінюють як додаткові докази впливу препаратів. А в іншій лабораторії нашої кафедри є обладнання для сучасних молекулярно-генетичних досліджень — виділення ДНК, проведення ПЛР (полімеразно-ланцюгова реакція) та ін.
— Певна річ, стажування за кордоном дозволяє здобути теоретичний і практичний досвід роботи у кращих світових наукових центрах. Скажімо, я проходила стажування у Стокгольмському і Фрайбурзькому університетах. А зараз у нас триває спільний німецько-український грантовий проєкт на тему «Дослідження молекулярних механізмів нейродегенерацій і протекторної ролі міРНК при SWS/NTE залежній невропатії у дрозофіли» з Ганноверською медичною школою. Насамперед це фінансування, завдяки якому ми закупили нові прилади і реактиви, тому на результати розраховуємо у більш короткий термін. Окрім того, важливо, що грантові кошти нам виділили не для поїздки і роботи за кордоном, а саме для роботи в Україні. Отже, наші ідеї зацікавили німецьких колег, — підсумовує Наталія Матійців.
Лариса Дедишина
Фото: Ігор Садовий
“Фармацевт Практик” #4′ 2020
